FI76203C - Foerfarande foer uppvaermning av bostadshus. - Google Patents

Description

76203

Menetelmä asuinrakennuksen lämmittämiseksi

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen menetelmä, asuinrakennuksen lämmittämiseksi.

Tällaisen menetelmän mukaan ilma esilämmitetään eristetyssä tilassa, minkä jälkeen ilman lämpösisältöä käytetään hyväksi asuinrakennuksen muiden osien lämmityksessä, esim. kierrättämällä ilmaa rakennuksen sisällä puhaltimen avulla tai siirtämällä osa ilman lämpömäärästä lämmitysveteen.

Tänä päivänä asuinrakennusten lämmityksessä lämpöenergian lähteenä käytetään tavallisesti fossiilisia tai muita polttoaineita, tai sähköenergiaa. Kaikille järjestelmille yhteinen piirre on, että lämpöenergia tuotetaan muuttamalla energianlähteen kemiallinen-, sähkö- tai sähkömagneettisen säteilyn energia suoraan termiseksi energiaksi.

Esimerkkinä sähköenergian muuttamisesta asuinrakennuksen lämmityksessä käytettäväksi termiseksi energiaksi mainittakoon FI-patenttihakemuksessa 3104/66 esitetty ratkaisu, jossa sähköisen lämmityslaitteen avulla lämmitetään ilmaa, jota kierrätetään asuinrakennuksen sisällä jatkuvasti toimivan puhaltimen avulla. Ilma puhalletaan lattian alle jätetyn tyhjän tilan kautta lattiaan tehtyjen reikien läpi huonetilaan. Lämpöä varastoidaan tarvittaessa erityiseen varaaja-massaan, jolloin lämmitystehon kulutusta voidaan tasata.

Tunnetaan myös useita lämmityssovitelmia, joissa sähkömagneettisen säteilyn sisältämä energia muutetaan termiseksi energiaksi. Lähes poikkeuksetta kaikki tällaiset ratkaisut perustuvat asuinrakennuksen yhteyteen asennetun viher- tai kasvihuoneen ilman lämmittämiseen nk. aurinkopaneeleiden avulla. Viherhuone, joka tavallisesti on sijoitettu asuin- 2 76203 rakennuksen etelänpuoleiselle sivulle, muodostaa suljetun tilan, ja on varustettu elimillä ilman kierrättämiseksi lämmitettävän huonetilan sisällä. FR-patenttihakemuksessa 2 438 241 on kuvattu yllä esitetyn ratkaisun mukainen lämmitetty talo. EP-hakemusjulkaisussa 43 057 taas on ehdotettu aurinkopaneeleilla varustetun viherhuoneen sijoittamista talon keskelle, jolloin auringonvalon hyväksikäyttöä voidaan tehostaa ja ilmankiertoa parantaa.

Täydellisyyden vuoksi mainittakoon vielä, että EP-hakemus-julkaisuissa 38 213 ja 41 658 on kuvattu erilaisia järjestelmiä kasvihuoneessa syntyvän lämmön ja kosteuden poistamiseksi kasvihuonetilasta ja hyödyntämiseksi asuinrakennuksen ilmastoinnissa ja lämmityksessä.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on saada aikaan aivan uudenlainen ratkaisu asuinrakennuksen lämmittämiseksi. Keksintö perustuu siihen ajatukseen, että huoneilman lämmittämiseen ja lämpimän käyttöveden valmistukseen tarvittava lämpöenergia tuotetaan muuttamalla eristetyssä tilassa, etenkin kasvuhuoneessa, oleellinen osa, (ainakin noin 1 %, sopivimmin 15...30 %) perusenergiasta näkyvän valon aallonpituusalueella olevaksi säteilyksi. Tämä voidaan suorittaa esim. elohopea-, loisteputki-, suurpainenatrium- tai sentapaisten lamppujen avulla.

Kasvuhuone soveltuu käytettäväksi tällaisessa menetelmässä, koska keinovalossa viljeltävien kasvien vaatima valaisinteho on suhteellisen suuri, tavallisesti 120 - 150 W/m2. Normaalin omakotitalon tehontarpeen ollessa maksimissaan 15 kW, tätä arvoa vastaava lämpöteho saadaan jo siitä säteilystä, jota käytetään viljeltäessä kasveja 100 m2:n pinta-alalla.

Keksinnön mukaan kasviviljelykseen tuodaan siten 0,05...

0,20 kWf edullisesti 0,12...0,15 kW valaisintehoa (= otto-tehoa) neliömetriä kohti, mikä vastaa valaistusvoimakkuutta 8.000...12.000 luxia (lm/m2), jolloin viljelyksen kokonaispinta-ala valitaan siten, että sen saama kokonaissäteily- 3 76203 energia vastaa ainakin likimain asuinhuoneiston energiankulutusta .

Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Termi "kasvuhuone" tarkoittaa tämän hakemuksen puitteissa käytettynä lämpö- ja kosteuseristettyä huonetilaa, jossa kasvatetaan eläviä koriste- ja/tai ravintokasveja.

Keksinnössä käytetään edullisesti sähkön avulla, erityisen edullisesti vaihtojännitteisen sähkövirran avulla toimivaa valaisinlaitetta, kuten hehkulamppua, tai sopivimmin jotain kasvihuonelamppua. Käytettäessä kasvihuonelamppua kuten elohopea- tai suurpainenatriumlamppua saadaan aikaan kasveille erityisen sopivaa näkyvän alueen säteilyä, jonka suurin intensiteetti on ainakin likimain aallonpituusarvojen 450 nm ja 650 nm kohdalla.

Viljelyksen kokonaispinta-ala valitaan keksinnössä sopivimmin siten, että sen saama säteilyenergian määrä vastaa asuinhuoneiston energiankulutusta valinnanvaraisen periodin, edullisesti noin vuorokauden aikana. Se osa viljelyksestä saatavasta lämpömäärästä, joka hetkellisesti ylittää asuinrakennuksen energiankulutuksen, varastoidaan tällöin erityiseen lämmönvaraajämässään, kuten neste- tai suolasäiliöön.

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja. Niinpä sähkömagneettinen potentiaalienergia voidaan erilaisissa valaisimissa muuttaa lähes häviöttömästi osittain termiseksi energiaksi, osittain valon aallonpituusalueella olevaksi sähkömagneettiseksi säteilyksi, joka edelleen muuttuu termiseksi energiaksi absorboituessaan materiaan. Asuinrakennuksen lämmittämiseen tarvittavalla energiamäärällä voidaan tällöin tuottaa hyödyllisiä eläviä koriste- tai ravintokasveja ilman, että tapahtuu minkäänlaista energianhukkaa.

4 76203

Keksintöä ryhdytään seuraavassa yksityiskohtaisessa selostuksessa lähemmin tarkastelemaan oheiseen, keksinnössä käytettävän kasvuhuoneen periaatepiirustukseen viitaten.

Keksinnössä käytettävä asuinrakennuksen, esim. omakotitalon kasvuhuone on normaalin kylmävaraston lailla hyvin eristetty tila, johon keinotekoisesti luodaan olosuhteet elävien kasvien kasvattamiselle. Mainittujen olosuhteiden luomiseksi tarvitaan: - Valaisinlaitteet, jotka tuottavat riittävästi näkyvän valon aallonpituusalueella (n. 400...700 nm) olevaa sähkömagneettista säteilyä. Tarvittava säteilymäärä pinta-alayksikköä kohti vaihtelee kasvilajikkeen mukaan. Valaisinlaitteet ovat sijoitetut hyllyköihin siten, että kullakin hyllyköllä saavutetaan kasvien kannalta edullinen, tasaisen korkea valaistusvoimak-kuus/pinta-ala. Valaisimina käytetään yleisesti saatavissa olevia valaisimia, erityisen sopivia ovat kasvi-huonevalaisimina käytettävät elohopea-, loisteputki-tai suurpainenatriumlamput.

- Ilmastointilaitteet, joiden avulla kasvuhuoneen sisäilmaa pidetään halutussa lämpötilassa, sekä ilman suhteellinen kosteus ennalta määrätyssä arvossa. Tarvittaviin laitteisiin kuuluu ilmanjäähdytin, jolla kasvuhuoneen lämpötila pidetään halutulla alueella, tavallisesti välillä 18 - 20 °C. Mainittu ilmanjäähdy-tin on kompressorilla varustettu kylmäkone, jota yleisesti käytetään myös muissa ilmastointisovellutuksissa. Ilman suhteellisen kosteuden pitämiseksi riittävän korkealla tasolla käytetään kiertoilmajäähdytystä, jossa vain pieni osa, noin 10 - 15 %, kasvuhuoneessa tarvittavasta ilman kierrosta, johdetaan jäähdytys-laitteen kautta. Mikäli tämä järjestely ei riitä pitämään ilman suhteellista kosteutta riittävän korkeana, käytetään ns. ilman märkäjäähdytystä, jossa osa jäähdytettävästä ilmasta puhalletaan lähelle 0°C:n 5 76203 lämpötilaa jäähdytetyn vesisuihkun läpi. Jäähdytys-laitteen lauhdutinpuolelta saatava lämpöenergia siirretään joko patteriverkoston kiertoveteen, lämpimään käyttö veteen tai suoraan asuintiloihin puhallettavaan tuloilmaan.

- Valinnanvaraisesti hiilidioksidinsyöttölaitteet, joita saatetaan tarvita hyvän kasvatustuloksen saavuttamiseksi . Ilmaa voidaan myös kierrättää kasvuhuoneeseen asuintiloista. Voidaan myös käyttää ulkoilmaa.

Yhteenvetona edellä mainitusta, ja kuvioon viitaten todettakoon, että keksinnössä käytettävä kasvuhuone koostuu seuraa-vista osista: A. Lämpö- ja kosteuseristetty huonetila 1.

B. Hyllyköt 2 kasvien tarvitsemia kasvatusalustoja varten.

C. Kunkin hyllykön yläpuolelle asennettu valaistuslaite (ei-esitetty).

D. Kastelu- ja ravinneliuoslaitteet viljeltäville kasveille (ei-esitetty).

E. Ilmastointilaitteet 3-7 lämpötilan ja ilmankosteuden pitämiseksi halutussa arvossa. Ilmastointilaitteet käsittävät kompressorikäyttöisen jäähdytyskoneen 3 ja ilmanjakokanavat 4. Ilma jaetaan kasvatushyllyköiden väliin kohdista 5, ja poistetaan kasvuhuoneesta hylly-köiden välistä kanavaa 7 pitkin. Jäädytyskoneesta 3 saatava lämpö voidaan siirtää esim. patteriverkostoon 6.

F. Hiilidioksidi-konsentraation säätölaitteet (ei-esitetty), jotka koostuvat puhtaan C02-kaasun annostelulaitteista tai tuloilmalaitteesta, joka siirtää riittävän hiilidioksidimäärän tilaan ulkoilmasta tai asuintiloista.

Valaisulaitteiden tuottama sähkömagneettinen säteily koostuu sekä lämpösäteilystä että näkyvästä valosta. Suurin osa näkyvästä valosta muuttuu kasveissa ja niiden alustoissa lämpöenergiaksi, mutta pieni osa sitoutuu fotosynteesin kautta kemialliseksi energiaksi. Koska osa tästä energiasta 6 76203 puolestaan kuitenkin muuttuu kasvien respiraation yhteydessä lämpöenergiaksi voidaan katsoa, että näkyväksi valoksi muutettu sähköenergia saadaan lähes kokonaan muutetuksi termiseksi energiaksi.

Kuten edellä on mainittu, käytetään keksinnössä valaisulait-teena edullisesti sähkön avulla toimivaa laitetta. Keksintö ei kuitenkaan rajoitu koskemaan pelkästään tätä vaihtoehtoa, vaan muutkin sinänsä tunnetut valaisimet voivat periaatteessa soveltua käytettäviksi. Näistä vaihtoehtoisista valaisin-laitteista mainittakoon erityisesti kaasu- (nestekaasu-)-valaisinlaitteet. Keksinnössä edullisiksi katsottavat valaisinlaitteet, elohopea-, loisteputki- ja suurpainenatrium-lamput, ovat sinänsä hyvin tunnettuja purkauslamppuja, joissa säteily muodostuu kaasu- tai metallitäytteen hohtopur-kauksen yhteydessä virrantiheyden ollessa 10“^... 10“^ A/cm2. Mainituista purkauslampuista suurpainenatriumlamppu on pis-tevalolähde, jolla on hyvä hyötysuhde {jopa 25...30 % sähköenergiasta muuttuu näkyväksi valoksi) ja kasvien kannalta edullinen säteilyspektri. Sama pätee myös elohopealampun kohdalla. Loisteputken tuottama spektri ei ole yhtä sopiva kuin suurpainenatriumlampun, mutta koska valaisin on muodoltaan pitkänomainen, on helppo aikaansaada kasvien kannalta tasaiset valaistusolosuhteet. Loisteputkivalaisimen hyötysuhde on tavallisesti 15..20 %.

Kasvuhuoneen eli kasvatusalustojen ja vastaavasti valaisu-laitteiden mitoituksessa lähdetään siitä, että kasvuhuonees-ta saadaan lämpöenergiaa jatkuvasti, jolloin erillisen sinänsä tunnetun varaajan (ks. esim. FI-patenttihakemus 3104/66) avulla tehontarvetta voidaan tasata. Laitteistoa ei siten tarvitse mitoittaa alussa mainitun huippukulutuksen (15 kW) mukaiseksi. Nykyaikaisen, hyvin lämpöeristetyn omakotitalon normaali tehontarve rajoittuu noin 5-6 kW:iin. Tätä tehoa vastaava kasvatuspinta-ala on noin 50 m2 ja se vaatii noin 30 - 35 m^.n huonetilan.

Esimerkkitapauksessa valmistettiin kokonaistilavuudeltaan 81 m3 oleva kasvuhuone, jonka ulkomitat olivat: leveys 5 m, 7 76203 pituus 6/5 m ja korkeus 2,5 m. Valaisinlaitteen ottosähköte-ho neliömetriä kohti oli noin 120 W, jolloin sovittamalla kasvuhuoneeseen kasvatushyllyköitä useampiin kerroksiin päällekkäin voitiin lämmitystehoa vaihdella seuraavalla tavalla s

Kerrosmäärä Vilj. pinta-ala Lämmitysteho [m1] [kW] 2 32 3,8 3 48 5,8 4 64 7,7 5 80 9,6

Kasvien tehokas kasvatus edellyttää, että valaistuksen käyttöaika on noin 10...16 tuntia/vuorokausi. Näin ollen on mahdollista ja järkevää pyrkiä käyttämään yösähköä valaisuun, jolloin kustannukset ovat alimmillaan. Kasvuhuoneen lämmöntuotantoa voidaan helposti säätää valaisemalla kasvatuspinta-alaa vain osittain kulloisenkin rakennuksen tehontarpeen mukaan.

Kasvuhuoneeseen muodostuva terminen energia kerääntyy kasvu-huoneen ilmaan, jonka lämpötila nousee. Ilmassa olevan kosteuden vuoksi kerääntynyt lämpömäärä voi olla huomattavankin suuri. Terminen energia käytetään asuinrakennuksen muiden osien lämmittämiseen pääasiallisesti kahdella eri tavalla: 1) Johtamalla kasvuhuoneesta lämmintä ilmaa suoraan huonetiloihin

Siirtämällä lämpö joko lämpöpumppuun tai vapaaseen lämmönsiirtoon perustuvalla lämmöntalteenottolaitteella käyttöveteen, patteriverkostossa kiertävään veteen, tai ilmalämmi-tysjärjestelmän kiertoilmaan. Tähän tarkoitukseen voidaan käyttää esimerkiksi EP-hakemusjulkaisussa 41 658 mainittua laiteratkaisua. Lämpö voidaan, ellei senhetkinen lämmön tarve vaadi välitöntä käyttöä, varastoida vesi- tai muusta aineesta koostuvaan varaajaan, kuten jo edellä mainittiin.

8 76203

Tapoja 1) ja 2) voidaan käyttää myös yhtäaikaisesti. Kasvu-huonelämpökeskus voidaan siten yhdistää kaikkiin olemassaoleviin lämmönjakojärjestelmiin. Käytettäessä lämpöpumppua kasvuhuoneen jäähdyttämiseen tarvitaan maksimissaan (15 kW lämmitystehontarve rakennuksessa) noin 3 kW (ottoteho) suuruinen kompressori.

Kasvuhuonelämmitysjärjestelmän käyttöalueista voidaan etenkin mainita omakoti- ja muut pientalot. Teknisesti menetelmä soveltuu kuitenkin käytettäväksi myös muiden asuinrakennusten lämmittämiseen.

Claims (4)

9 76203

1. Menetelmä asuinrakennuksen lämmittämiseksi, jonka menetelmän mukaan lämmittämiseen käytetään elävien kasvien viljelykseen tarkoitetussa erillisessä, eristetyssä tilassa (1) olevan ilman lämpöenergiaa, joka on peräisin kasvien tarvitsemasta sähkömagneettisesta säteilystä, tunnettu siitä, että - sähkömagneettinen säteily saadaan aikaan muuttamalla valaistuslaitteessa oleellinen osa siihen tuotavasta primaari-energiasta, edullisesti sähköenergiasta, näkyvän valon aallonpituusalueella olevaksi säteilyksi, jolloin kasvi-viljelykseen tuodaan 0,05...0,20 kW, edullisesti 0,12... 0,15 kW valaisintehoa kasvatusneliömetriä kohti, ja - viljelyksen kokonaiskasvatuspinta-ala valitaan siten, että sen saama kokonaissäteilyenergia vastaa asuinrakennuksen lämmitysenergian kulutusta.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että viljelyksen keinovalaistava kokonaiskasva-tuspinta-ala valitaan vastaamaan asuinhuoneiston energiankulutusta valinnanvaraisen periodin, edullisesti noin vuorokauden aikana, jolloin se osa viljelyksestä saatavasta lämpömäärästä, joka hetkellisesti ylittää asuinrakennuksen energiankulutuksen, varastoidaan.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että valaistuslaitteessa tuotetaan näkyvää valoa, jonka suurin intensiteetti on ainakin likimain aallonpituusarvojen 450 nm ja vastaavasti 6^0 nm kohdalla.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että eristetyssä tilassa lämmitettyä ilmaa kierrätetään asuinrakennuksen sisällä ja/tai ainakin osa ilman lämpömäärästä siirretään talon käyttöveteen, läm-mitysveteen ja/tai sisäänpuhallusilmaan.