DE19716288A1 - Verfahren der Spitzenkühlung mittels Latentspeicherwänden- und -bauteilen - Google Patents

Description

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 (Über­ gangsfunktion) 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 linealisieren und Speicherfähigkeit des Gebäudes grob mittels Aktions- und Re­ aktionsgrößen, unter Anwendung einer Bezugstemperatur von 22°C als dynamische Raumbelastungen und Raumreaktionen, numerisch darzustellen. Baumassen und deren Speicherkapazität werden durch spezifische Kenngrößen geschätzt, ohne exakt deren Amplitudendämpfung 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 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.

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 weitgehendst 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 Dichte­ änderung die mechanische Belastbarkeit des Latentspeicherkörpers bestimmen. Für weitere Betrachtungen wurde Paraffin gewählt, dessen Schmelzpunkt sich von 21 bis 54°C einstellen läßt und plastisch bleibt.

Spezifische Wärmekapazität beträgt bei:

Baustoffen 0,80 kj/kgK
Wasser 4,18 kj/kgK
Paraffinöl 2,13 kj/kgK,

die Schmelztemperatur beträgt bei:

Wasser 0°C
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 Konstruk­ tionsgröße des Latentspeichers dienen; genauere Berechnungen über Gebäude­ simulationen zeigen ähnliche Ergebnisse. Über die Grenzwertmethode läßt sich die Latentspeichergröße festlegen.

Die Transmissionswärmemenge durch eine Wand beträgt beispielweise bei Sonnenbetrieb über 24 Stunden bei einer Temperaturspanne von 10 K:

Qt = k.dT.h = 1.10.24 = 240 W bei 300 kg/m².

Die Strahlungswärme beträgt bei einer Sonnenlufttemperatur von 54°C in 8 Stunden ca. 250 W. Die Latentspeicherwand hat folgende Wärmemenge in seinem Latent­ speicher 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 Vorausset­ zungen für einen Wandaufbau in Richtung SO, S, SW und W sind für den sommer­ lichen Wärmeschutz realisierbar.

Technologien für die Gebäude von Morgen haben das Ziel, Fenster und Ver­ glasungen zu optimieren und durch transparente Wärmedämmungen von Außen­ wänden die passive Solarenergienutzung im Winter zu nutzen, ohne jedoch eine Behaglichkeit im Sommer bieten zu können. Aufwendige technische Systeme versu­ chen, kumulierte Energiesysteme darzustellen, um des gesamten Jahres­ energiebedarf eines Wohnhauses zu optimieren und um den Wärmebedarf zu vertret­ baren Kosten abzudecken. Wegen zu geringen Luftwechsels der Fugenlüftung und Schadstoffen im Gebäude wird in Zukunft eine kontrollierte Be- und Entlüftung mit Wärmerückgewinnung erforderlich.

Wirtschaftsgebäude 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 Wärme­ produzent) herabgesetzt ist und in Zukunft die Mitarbeiter immer höheren An­ forderungen ausgesetzt sind. Die Arbeitsleistung ist herabgesetzt und die Fehler­ quote 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.

Konstruktionsmerkmale

In eine Wand werden Einzelkammern oder Flächen mit Latentspeichermassen, vorzugsweise mit metallischer Hülle eingebracht. Durch die Lage, die Auswahl des Latentspeichermediums und die Form lassen sich die Wärmeströme als finite Elemen­ te optimieren. Der Einbau kann vor Ort oder vorgefertigt in Einzelbauteilen oder in Großflächen erfolgen und erfordert keine zusätzlichen Fertigkeiten. Latent­ speicherkörper in Betonmassen lassen sich bei hochbelasteten Teilen auch zur Aufnahme der Abbindewärme oder zur gleichmäßigen Erwärmung von Betonkon­ struktionen bei stark strahlungsbelasteten Bauteilen anwenden.

Konstruktionsbeispiel

In eine Porotonwandteil von 40 cm Stärke, 25 cm Breite und 25 cm Höhe werden mittig ein Metallzylinder mit Paraffin 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. Paraffin: Ver­ dampfungstemperatur 300°C) beherrschbar. Der Einsatz größerer Einheiten ist auch in vorgefertigten Wänden und in Fertigbetonteilen möglich.

Zeichnung

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung zeigt:

Fig. 1 eine Darstellung Latentspeicherkörper in Wandfläche,

Fig. 2 eine Darstellung Temperatur/Wärme nach Extremmethode-Entwicklung Energiekennzahl,

Fig. 3 eine Entwicklung der Energiekennzahl; RTL Anlagenbürogebäude (Quelle LTG).

Claims (8)

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 Raumreaktionen von den regelungs­ technischen Funktionen Sprungantwort (Übergangsfunktion) bzw. Impulsantwort (Gewichtsfunktion) von den Außen- und Innentemperaturen und der Strahlungs­ beeinflussung thermisch entkoppelt.

2. Konstruktionsmerkmal ist die Anordnung von Latentspeicherkammern inner­ halb von Außen- oder Innenwänden, welche die Schmelzwärme des Latentspeichers nutzt, um thermische Raumbelastungen über den Tagestemperaturverlauf auch bei sommerlichen Temperaturen weitgehendst auszugleichen bei Strahlungs­ belastungen und inneren Wärmelasten die Spitzenlasten aufzunehmen und bei nächt­ lichen 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 Einzel­ bauteilen oder in Großflächen erfolgen und erfordert keine speziellen Kenntnisse.

4. Die Kombination oder Mischung verschiedener Schmelzpunkte des Latent­ speichers zu 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 Heizkör­ perflächen vergleichbar.

6. Die Anwendung als Jalousie- bzw. Rolladenelement mit integriertem Latent­ speicherkörper, angewandt als Sonnenschutz und Temperaturpuffer für Tag-Nacht- Betrieb.

7. Konstruktionsmerkmal ist in Rahmenkonstruktionen von Fenster- oder Fassa­ denflächen eingesetzter Latentspeicher zur thermischen Entlastung, welche die thermischen Lasten z. B. von Absorptionsgläsern vermindern.

8. Die Anwendung von Latentspeicherkörper in Betonmassen welche an hoch­ belasteten Teilen zur Aufnahme der Abbindewärme oder zur gleichmäßigen Erwär­ mung von Betonkonstruktionen mit stark strahlungsbelasteten Bauteilen dienen, oder auch feuerbelasteten Bauteilen, wie z. B. Stahl- und Stahlbetonstützen, eine längere Standzeit oder eine Begrenzung der Längenausdehnung ermöglichen.