NO137218B - Fremgangsm}te til utnyttelse av lavtemperaturvarme til romklimatisering og bygning utformet for gjennomf¦ring av fremgangsm}ten - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for oppvarming av bygninger, hvor det tilføres varme gjennon et generelt sjiktformet orqan som er anbragt i begrensningsdeler i bygningen, såsom vegger, gulv og tak, samt en bygning som er utformet med tanke på gjennomføring av denne fremgangsmåten.

Den viktigste svakheten ved konvensjonelle systemer for rom-oppvarming med sol- og himmelstrålincj - dvs. systemer med flate solvarmeoppsamlere for oppvarming av vann eller luft, varme-

lager i vanntank eller stein og overføring av varmen til rommene med radiatorer eller med luft som sirkulerer - er den lave virkningsgraden. Grunnen til dette er at solvarmeoppsamleren må samle opp varme på et temperaturnivå godt over romtemperatur dersom det skal bli mulig å avgi varmen til romluften, og for at varmelageret ikke skal bli for voluminøst må temperaturnivået høynes ytterligere. F.eks. i et system med vann som lagrings-

og transportmedium, kan bare varme med temperaturer over 30°C utnyttes dersom radiatorene i rommene ikke skal få urimelig store overflater. Dette fører igjen til at temperaturforskjellen mellom absorbatoren i solvarmeoppsamleren og utetemperaturen må

bli stor dersom det skal bli mulig å samle opp nyttbar varme.

I en vanlig flat solvarmeoppsamler for vannoppvarming med to lag glass foran absorbatoren er varmetapet fra absorbatoren til uteluften i gjennomsnitt ca. 3 VI/ m°C.

Med utetemperatur 0°C og 20% refleksjon og absorbsjon av stråling

i glassene må derfor sol- og himmelstrålingen ha en intensitet

godt over 100 W/m 2 dersom det i det hele tatt skal bli mulig å nyttiggjøre deler av strålingen. Dette betyr at himmelstråling fra overskyet himmel i liten grad kan utnyttes og at bare direkte solstråling med høy intensitet kan utnyttes med brukbar utnyttelses-grad når en også tar i betraktning at temperaturen må høynes

ytterligere dersom lagervolumet ikke skal bli uakseptabelt.

I land hvor betydelige deler av solenergien kommer som stråling med lav intensitet, vil slike systemer derfor få en meget lav gjennomsnittlig virkningsgrad.

Det er kjent at ovennevnte problem kan løses ved å koble solvarmeoppsamleren til fordamperen i en varmepumpe og i noen grad også ved bruk av salter med smeltepunkt ca. 30°C til varmelagring eller ved å bruke selektive belegg på glassene og absorbatoren og vakuum i solvarmeoppsamleren. Men alle disse løsningene er kostbare og dessuten må varmepumpen tilføres høyverdig energi for å fungere mens varmelagring med salter fungerer dårlig i praksis p.g.a. at saltene underkjøles og har ustabile smelte-punkter.

Hovedhensikten med oppfinnelsen er således å komme frem til en fremgangsmåte som gjør det mulig å utnytte solvarme med lav intensitet og eventuelt andre former for lavtemperatur-varme til oppvarming av oppholdsrom, det vil si rom med en temperatur på omtrent 20°C.

Ifølge oppfinnelsen kan dette oppnås ved hjelp av den fremgangsmåte som er beskrevet i patentkrav 1. I prinsippet kan denne fremgangsmåten gjennomføres ved hjelp av en varmeveksler som er plassert i en eller flere av bygningens begrensningsdeler. Fremgangsmåten blir imidlertid særlig fordelaktig dersom det tilføres varmenergi ved hjelp av et varmemedium med en temperatur under ca. 20°C. Særlig fordelaktig blir fremgangsmåten dersom det tilføres varme direkte fra en solvarmeabsorbator og/eller et varmemagasin som er tilført solvarme.

Oppfinnelsen løser problemet med lav effektivitet i oppsamlings-fasen ved at den gjør det mulig å samle opp og nyttiggjøre varme på et lavere temperaturnivå enn tidligere mulig, uten bruk av varmepumpe. Oppfinnelsen gjør det i prinsippet mulig å utnytte varme med temperatur helt ned til få °C over den laveste utetemperatur om vinteren. I praksis vil det imidlertid bare være aktuelt å utnytte solvarme med noe høyere temperatur. Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er basert på følgende er-le j ennelse: I opake vegger, tak eller gulv, som danner skille mellom romluften og uteluften, er det vanligvis et temperaturfall fra noe under romtemperatur på innvendig overflate til vanligvis noe over utetemperatur på utvendig overflate når det er kaldere ute enn inne. I et bestemt sjikt i konstruksjonen med en bestemt rom- og utetemperatur, vil der være en bestemt temperatur som ligger mellom disse. Hvis en tilfører dette sjiktet termisk varme med temperatur høyere enn denne bestemte temperaturen,

f.eks. fra en solvarmeoppsamler eller et varmelager, vil varme-strømmen fra romluften bli redusert. Varmetapet fra konstruk-sjonenes ytterflater vil øke, men dette kan aksepteres når den varme som tilføres er vanskelig nyttbar på andre måter.

Oppfinnelsen har også til oppgave å angi utformingen av en

bygning som kan benyttes for gjennomføring av fremgangsmåten.

En slik bygning bør dessuten være utformet slik at den er istand til å magasinere varmeenergi som blir til overs i solrike og/

eller varme perioder, for å kunne utnytte denne lavtemperatur-energi til oppvarming av bygningen på et senere tidspunkt.

Ifølge oppfinnelsen kan fremgangsmåten fordelaktig gjennomføres

ved en bygning som er utformet i overensstemmelse med patentkrav 4. Denne bygning blir særlig fordelaktig dersom lederen for varmemedium omfatter en spalte eller kanaler for tilførsel av luft, som er anbragt mellom sjikt av det termisk isolerende materialet i en eller flere av begrensningsdelene for det rom som skal oppvarmes. Særlig fordelaktig er det å benytte et varmegivende organ som er anbragt sammen med et materiale med høy varmekapasitet i det temperaturområde som vil herske ved det varmeavgivende organ.

Dette materiale vil da være istand til å akkumulere varmeenergi

i perioder med overskuddsvarme, for så å avgi denne energien når yarmetilførselen utenfra avtar.

En slik bygning kan benyttes for mer omfattende og langvarig magasinering av overskuddsvarme ved at den er fundamentert over et massesjikt som kan tjene som varmelager for absorbert solvarme og som er fremstilt med gjennomløpende porer eller hulrom for luftgjennomblåsning. Ytterligere trekk ved oppfinnelsen vil fremgå av den etter-følgende beskrivelse, hvor det er henvist til tegningene, hvor: Figurene 1-6 viser snitt gjennom forskjellige utførelsesformer av vegger som kan benyttes ved en bygning if.Ige oppfinnelsen, fig. 7 viser et vertikalsnitt gjennom et magasinerende underlag utformet ifølge oppfinnelsen,

fig. 8 viser skjematisk et oppvarmingssystem som er utformet for gjennomføring av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen,

fig. 9 viser et vertikalsnitt gjennom en bygning som er utformet i overensstemmelse med oppfinnelsen,

fig. 10a viser et vertikalsnitt gjennom en alternativ utførelse av bygningen, hvor det finnes et varmemagasin,

fig. 10b viser et forstørret utsnitt av bygningen ifølge fig. 10a, mens

fig. 10c viser et horisontalsnitt gjennom varmemagasinet ved en bygning som tilsvarer bygningen ifølge fig. 10a.

I fig. 1 er det vist en veggkonstruksjon hvor det mellom et

ytre lag isolasjonsmateriale 11 og et indre lag isolasjonsmateriale 12, som holdes i avstand fra hverandre med lekter 13, finnes en luftspalt 14.

I fig. 2 og 3 er det vist to tilsvarende vegger som i fig.l, hvor lektene 13 er erstattet med to plater, henholdsvis 15 og 15', som er forsynt med langsgående kanaler 16 henholdsvis 16' med forskjellig diameter og tetthet. Platene 15 og 15' kan være fremstilt av trefiber henholdsvis betong.

I den vegg som det er vist eksempel på i fig. 4 avgrenses en luftspalte 17 mellom to lag, henholdsvis 18 og 19, av et materiale med forholdsvis høy varmekapasitet. Ved vegger som er utformet i overensstemmelse med fig. 2-4 vil det således skje en viss varmelagring . Denne mulighet for varmelagring kan økes ytterligere dersom veggen utformes som vist i fig. 5, hvor det benyttes et element som består av to plater 20 og 21 av et materiale med høy varmeledningsevne, som mellom seg opptar en rekke parallelle rør 23, likeledes av et materiale med høy varmeledningsevne og beregnet for luftgjennomgang, idet mellomrommet mellom platene 20 og 21 og rørene 23 er fylt med et salt 22 med et egnet smeltepunkt.

Dersom det som varmemedium benyttes en væske, for eksempel vann eller gass med faseforandring i det aktuelle temperaturområdet, kan varmemediet føres gjennom rør 24 av metall, som er forbundet med en metallplate 25 som er vist i fig. 6. Det varmeavgivende organ er i dette tilfelle innleiret i skumplastisolasjon 27.

I eksemplene ovenfor er det vist snitt gjennom veggdeler, idet gulv og tak kan gis en tilsvarende utforming. Når det gjelder vinduspartier, er det naturlig å bruke mellomrommet mellom glasslagene ved vinduer med flere glassjikt, for tilførsel av luft eller andre gasser. Varmetilførselen vil da også kunne løse problemet med lav overflatetemperatur på det indre glasset, når det er særlig kaldt ute. I solvarmeoppsamlere for luft-oppvarming kan luftspalten mellom absorbator og glasslagene i selve solvarmeoppsamleren også tjene som det sjiktet som til-føres lavtemperatur-varme fra et varmelager. I solvarmeoppsamlere for vannoppvarming kan selve absorbatoren gjøre samme tjeneste.

I gulv som vender mot grunnen kan sjiktet som nevnt utformes

som for vegger og tak, men her bør en av de viktigste fordeler med fremgangsmåten utnyttes, nemlig muligheten for å utnytte grunnen under bygningen til varmelagring over lengre tid. I konvensjonelle soloppvarmingssystemer med varmelagring i vann-tanker eller varmeisolert rom fylt med stein eller salter, er langtids-varmelagring av varme, f.eks. sommer til vinter, uøko-nomisk, da varmelagret vil få enorme dimensjoner dersom varme-mengder av betydning for oppvarmingsbehovet skal lagres på det temperaturnivå det er mulig å oppnå brukbar effektivitet for flate solvarmeoppsamlere. Bruk av grunnen under bygningen til langtidsvarmelagring er blitt foreslått for konvensjonelle sol-varmingssystemer, men er funnet ubrukbar da for mye av varmen

vil diffusere til et for lavt temperaturnivå til at den kan gjenvinnes og utnyttes uten bruk av varmepumpe.

Derimot vil, med den metode for utnyttelse av lavtemperatur-varme som det her søkes patent for, varme med samme konstante temperatur som der er noen få meter ned i grunnen på ubebygget mark, kunne utnyttes. Denne temperaturen er tilnærmet lik års-gjenomsnittet for lufttemperaturen på stedet. Dvs. at diff-usjonen av varmen ikke vil bli avgjørende. Den begrensende faktor vil være varmeutvekslingen mellom solvarmeoppsamleren og grunnen og mellom grunnen og sjiktet som tilføres varme. Derfor bør hele sjiktet mot grunnen utformes som en varmeut-vekslingsflate med grunnen.. Men da grunnflaten ofte ikke vil være tilstrekkelig stor til å absorbere og overføre varme fra sol- og himmelstråling som vanligvis innstråles over korte perioder på 4-5 timer, må varmeoverføringsflåtene økes. Dersom luft brukes som transportmedium, gjøres dette enklest ved å

blåse luften gjennom et stein eller singel-lag i sjiktet som er dimensjonert for å kunne absorbere og lagre den varme som solvarmeoppsamleren leverer fra dag til dag. Dette korttidsvarme-lageret vil da sørge for en jevnere varmestrøm over. døgnet ned i grunnen.

Et eksempel på en slik gulvutforming er vist i fig. 7, hvor det under en gulvplate 28 er anbragt et isolasjonssjikt 29 og under dette, over bygningens egentlige fundament 30, et forholdsvis tykt sjikt 31 som består av grove korn av et materiale med høy varmekapasitet, såsom grus og små steiner. Denne utforming gjør det mulig å blåse luft gjennom lagringssjiktet 31, for å avgi varme til dette eller f or å gjenvinne varme senere. Alternativt eller i tillegg kan det graves kanaler .eller rør ned i grunnen for sirkulasjon av et egnet varmemedium. Det kan også være aktuelt

å fylle lagringssjiktet 31 med vann som da kan brukes både som lagringsmedium og som varmemedium.

Det lave temperaturnivå varmen kan utnyttes på, åpner for

mange muligheter for funksjonell integrasjon og overlapping av soloppvarmingssystemer og bygningsmessige funksjoner. Sjiktet som tilføres varme kan utvides til å bli sekundære rom som

boder, lager, kjeller, korridorer, trapperom, oppholdsrom med lav bruksfrekvens og intermittent oppvarming og rom for tekniske installasjoner og utstyr etc. Selve solvarmeoppsamleren kan også utvides til bruksarealer som vinterhage, veksthus, inne-bygd terasse eller balkong, overdekket atrium, overdekket tra-fikk og "vrimle"-areal etc, som samtidig også kan tjene som sjiktet som tilføres lavtemperaturvarme fra varmelager utenom perioder med sol- og himmelstråling.

Et soloppvarmingssystem for utnyttelse av lavtemperaturvarme kan

i prinsippet bygges opp som et konvensjonelt system med unntak av at oppsamlet varme tilføres sjikt i de ytre konstruksjoner i stedet for direkte til rommene. I fig. 8 er det vist skjematisk et slikt system. Det omfatter en solvarmeabsorbator eller sol-oppvarmer 32, et varmelager eller varmemagasin 33 og en bygning som er generelt betegnet med 34 med et rom 35 som skal oppvarmes. Bygningen er i eksempelet illustrert med vegger av den art som er vist i fig. 1.

I perioder med nyttbar sol- og himmelstråling og uten fyringsbehov i rommet 35, sirkuleres varme fra solvarmeoppsamleren 32 gjennom varmelageret 33 og tilbake til solvarmeoppsamleren gjennom en enveis-ventil 36. I perioder uten nyttbar stråling og fyringsbehov, sirkuleres varme fra varmelageret 33 til sjiktet 14 i veggen til bygningen 34 og tilbake til varmelageret. Utløps-ledningen 37 fra solvarmeoppsamleren 32 og tilførselsledningen 38 til bygningen 34 er forbundet med inngangsledningen 39 til varmelageret 33 ved hjelp av en ventil 40. Tilsvarende er tilbakeløps-ledningen 41 fra bygningen og tilbakeløpsledningen 42 til solvarmeoppsamleren 32 forbundet med utløpsledningen 4 3 fra varmelageret 33 ved hjelp av en ventil 44. Ventilene 40 og 44 er av treveistypen. I utløpsledningen 41 fra bygningen 44 er det inn-skutt en enveisventil 45 som hindrer tilbakeløp på tilsvarende måte som enveisventilen 36 hindrer tilbakeløp gjennom tilbake-løpsledningen 42 til solvarmeoppsamleren 32.

I perioder med både nyttbar sol- og himmelstråling, som kan lagres, og fyringsbehov, sirkuleres en del av varmen fra solvarmeoppsamleren 32 gjennom varmelageret 33 og en annen del gjennom sjiktene 14 i bygningen 34 og tilbake til solvarmeoppsamleren. I perioder med fyringsbehov og med nyttbar varme fra sol- og himmelstråling, men med for lav temperatur til at den kan til-føres lageret, kan varmen sirkuleres direkte fra solvarmeoppsamleren 32 og gjennom bygningen 34. Og som siste og femte alternativ kan den varme som tilføres direkte til solvarmeoppsamleren, når den ikke er tilstrekkelig for å dekke hele fyringsbehovet, sirkulere gjennom bygningen 34 sammen med varme fra varmelageret 33. I tillegg til de viste hoveddeler og led-ninger og ventiler, omfatter systemet også transportmidler, såsom pumper av kjent art.

Systemet som er beskrevet ovenfor vil være det teknisk mest effektive. For å forenkle og gjøre soloppvarmingssystemet rimeligere, kan det være hensiktsmessig å forenkle og integrere soloppvarmingssystemet og bygningsfunksjoner. Et slikt integrert system som bruker luft som transportmedium for varme, er vist skjematisk i fig. 9. I dette systemet benyttes det vegger og tak av den konstruksjon som er vist i fig. 1. Luftsjiktet 13 i veggen virker dermed som kombinert tilførselskanal og varme-avgiver. Det er her plassert en solvarmeoppsamler 46 på den ene av bygningens takhalvdeler. Luftsjiktet 4 7 bak solvarmeopp-samlerens 4 6 glass 4 8 virker samtidig som oppvarmingssjikt. Oppvarmet luft sirkulerer fra solvarmeoppsamleren 47 opp til bygningens øverste parti hvor det ved hjelp av en vifte.49 føres gjennom en eller flere sentrale kanaler 50 ned til bygningens golv, hvor den oppvarmete luften spres gjennom luftsjikt 13 i bygningens golv og derfra opp gjennom luftsjikt 13 i vegger og tak. Dette systemet har to virkemåter, nemlig med eller uten sirkulerende luft.

Ved en alternativ utførselsform kan bygningen i fig. 9 være forsynt med golv- , vegg- og takkonstruksjoner av den art som er vist i fig. 2-5, nemlig med mulighet for lagring av varmeenergi.

I fig. 10a-c er det vist en modifisert utførelsesform av bygningen ifølge fig. 9, hvor det under golvet er plassert et korttids-varmelager av stein eller singel 51.. Den sentrale kanalen 50' er her ført ned i steinlaget 51 og på hensiktsmessig måte utformet for å fordele den tilførte varmluften jevnt gjennom steinlaget, slik at denne varmes opp til noenlunde ens temperatur over det hele. For å unngå unødvendig varmetap og overoppvarming av sjiktene når tilgangen på sol- og himmelstråling er god, kan det benyttes ventiler éller spjeld for å regulere luftstrømningen. I fig. 10b er det ved 52 vist et spjeld som kan benyttes for å stenge for lufttilførsel til forskjellige av bygningens vegger og tak. Dette spjeld 52 kan for eksempel benyttes til å stenge for sirkulasjon til sjikt 13 som vender mot nord, øst eller vest, mens luften kan passere, uhindret gjennom sydvendte sjikt 13 til solvarmeoppsamleren 46. I fig. 10c er det vist hvordan luften kan spres gjennom steinlaget 51 ved hjelp av skillevegger 53. Ved en modifisert ut-førelsesform kan dette oppvarmingssystem forbedres ytterligere ved å installere en separat tilførselskanal 54 mellom varmelageret 51 og solvarmeoppsamleren 46 (fig. 10c). Ved å stenge for luftgjennomgangen gjennom den sydvendte veggen, kan luften fra solvarmeoppsamleren 4 6 benyttes utelukkende til å varme opp varmelageret 51, idet den resirkuleres gjennom kanalen 54.

Claims (9)

1. Fremgangsmåte for oppvarming av rom i bygninger, hvor det tilføres varme gjennom et generelt sjiktformet organ som er anbragt i rommets begrensningsdeler, såsom vegger, gulv og tak, karakterisert ved at varmen tilføres gjennom en generelt sjiktformet leder for varmemedium, som er anbragt i termisk avstand fra såvel rommet som den omgivende luft, ved en temperatur som.ligger mellom romtemperaturen og utetemperaturen.

2. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at det tilføres varmeenergi ved hjelp av et varmemedium med en temperatur under ca. 20°C.

3. Framgangsmåte i samsvar med krav 1 eller 2, karakterisert ved at det tilføres varme fra en solvarmeabsorbator og/eller et varmemagasin som er tilført solvarme.

4. Bygning som er utformet for gjennomføring av fremgangsmåten ifølge patentkrav 1, med termisk isolerende materiale i bygningens begrensningsdeler, såsom vegger, gulv og tak, og hvor det i minst en av disse begrensningsdeler finnes en generelt sjiktformet leder for varmemedium, karakterisert ved at lederen (13) for varmemedium er termisk isolert fra såvel det rom som det er tilknyttet, som den omgivende luft, og er innrettet for tilførsel av varmemedium ved en temperatur som ligger mellom romtemperaturen og utetemperaturen.

5. Bygning i samsvar med krav 4, karakterisert ved at lederen for varmemedium omfatter én spalte (13) eller kanaler(16) for tilførsel av luft, idet denne spalten eller kanalene er anbragt mellom sjikt (11, 12) av det termisk isolerende materialet i en eller flere av rommets begrensingsdeler.

6. Bygning i samsvar med krav 4 eller 5, karakterisert ved at det varmegivende organ (23) er anbragt sammen med et materiale med høy varmekapasitet i det temperaturområde som vil herske ved det varmeavgivende organ.

7. Bygning i samsvar med krav 6, karakterisert ved at det varrneavgivende organ består av en plate (15) med høy varmekapasitet, som har gjennomgående kanaler (16) for lufttilførsel.

8. Bygning i samsvar med et av kravene 4-7, karakterisert ved at den er fundamentert over et massesjikt (31, 51) som kan tjene som varmelager for absorbert solvarme og som er fremstilt med gjennomløpende porer eller hulrom for luftgjennomblåsning.

9. Bygning i samsvar med et av kravene 4-8, karakterisert ved at den termiske isolasjon (11) mellom lederen (13) for varmemedium og uteluften er vesentlig bedre enn resten av den termiske isolasjon (12) i veggen e.l.