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Energieabsorberanlage
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Die Erfindung betrifft eine Energieabsorberanlage für Gebäude, zur
Gewinnung von Wärmeenergie aus der Umgebungsluft und von an der Außenhaut des Gebäudes
in Wärmeenergie umgewandelter Solarstrahlungsenergie, mit einem von einer Wärmeübertragungsflüssigkeit
durchflossenen Absorber, der an den Verdampfer einer Wärmepumpe angeschlossen ist,
und einer hinter dem Absorber angeordneten Isolierschicht.
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Es ist bekannt, mit Hilfe von Wärmepumpen der Umgebungsluft (Außenluft)
Wärme zu entziehen, diese Wärmeenergie auf ein höheres Temperaturniveau anzuheben
und zu Heizungszwecken, z.B. zur Beheizung von Gebäuden, zu nutzen.
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Zu diesem Zweck kann man z.B. mit Hilfe eines Gebläses Außen luft
über einen kompakten Rippenrohrwärmetauscher leiten, der gleichzeitig Bestandteil
des Verdampfers der Wärmepumpe ist. Das System arbeitet auch noch bei eisiger Außenluft,
wenngleich mit einer geringeren Leistungszahl als wenn die Luft Sommertemperaturen
aufweist.
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Die Rippenrohre solcher oder anderer komptakt gebauter Wärmetauscher
können als Bestandteil des kalten Teils der Wärmepumpe bei Zufuhr feuchter und kühler
Außenluft sehr schnell total vereisen, wobei die Leistung des Systems auf unpraktisch
kleine Werte sinkt, so daß man auf ein anderes Heizsystem umschalten muß.In alternativ
bivalenten Heizungssystemen tut man das auch.
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Nun sind von den Investitionskosten her monovalente Heizsysteme den
bivalenten vorzuziehen. In monovalenten Heizsystemen mit Wärmepumpenbetrieb benötigt
man zur Vermeidung des oben beschriebenen Nachteils große und glatte Absorberflächen,
die bei Zufuhr kühler und feuchter Luft zwar auch vereisen, wo aber trotz eines
Eispanzers von einigen Zentimetern aufgrund der ausreichenden Wärmeleitfähigkeit
des Eises und praktisch unvermindert großer Oberfläche keine wesentliche Leistungseinbuße
des Systems resultiert. Man hat solcher große Flächen benötigenden Luftwärmetauscher
schon vielfach eingesetzt, z.B. auf Dächern in Form von kühlsoledurchspülten Rohren,
Schläuchen oder Platten, in Form von Blechen mit ein- oder untergelegten Kühlsoleleitungen,
als Ersatz von Ziegeldächern oder -fassaden, als soledurchflossene Kunststoffmatten
auf Flachdächern oder in Form von soledurchflossenen Rohren oder Platten als Zäune
und spricht allgemein von Energie-Dächern, -Fassaden oder -Zäunen. Die Kühlsole
wird in einem gesonderten Kreislauf von den Wärmeabsorbern zum Verdampfer der Wärmepumpe
geleitet, dort abgekühlt und dann zu den Wärmeabsorbern zurückgeführt. Bei einem
Wärmepumpenbetrieb in Kombination mit solchen kühlsoledurchflossenen Absorbern hat
man den Vorteil, auch solare Strahlungsenergie, die auf
die Absorber
trifft, einfangen zu können. Die Intensität der Solarstrahlung unterliegt bekanntlich
sehr starken jahreszeitlichen, tageszeitlichen und wetterabhängigen Schwankungen.
Hat man aber die Solarstrahlungsenergie - wenn auch sehr unregelmäßig - zur Verfügung,
so kann sie, besonders in der kalten Jahreszeit, die Gesamtwirtschaftlichkeit einer
Wärmepumpenheizung beträchtlich erhöhen.
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Der große Flächen erfordernde Energieabsorber mit den Funktionen eines
Luftwärmetauschers und Solarstrahlungsabsorbers, der in der Regel aus Metall oder
Kunststoffen gefertigt ist, erfordert im Vergleich zum Kompaktwärmetauscher höhere
Unvestitionskosten. Metalle als Material sind an sich schon teuer. Kunststoffe als
Material müssenstabil gegen die ultraviolette Strahlung der Sonne sein.
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Das bedingt einen höheren Preis als für Kunststoffe, die nur den hydrostatischen
Druck der Sole und den Pumpendruck aushalten können müssen und ansonsten praktisch
nur gewisse Wärme- und Kältegrade vertragen müssen. Die sturmsichere Verankerung
auf dem Dach, an der Fassade oder als Zaun fordern auch ihren Preis. Energiedächer
mit großflächigen Absorbern funktionieren auch noch bei einer Bedeckung mit Schnee;
10 cm Schnee führen noch zu keiner ernsthaften Beeinträchtigung einer wohldimensionierten
Dachabsorber-Wärmepumpen-heizung. Nun gibt es aber viele sonnenreiche Gegenden,
die im Winter recht kalt sind, in denen es gelegentlich so kräftig schneit, daß
sich auf den Dächern dortiger Häuser Schneelagen von 30 oder 50 oder mehr Zentimetern
bilden und dort wochenlang bestehen bleiben. -Schneelagen dieser Stärke beeinträchtigen
nun doch wegen der Isolierwirkung des Schnees das Funktio-
nieren
der Dachabsorber-Wärmepumpenheizung in erheblichem Maße.
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Bei einer Wärmepumpenheizung in Verbindung mit Kühlsoledächern, -fassaden
oder -zäunen kann die in Wärme umgewandelte Solarstrahlung zu starken Temperaturschwankungen
der Kühlsole führen. Bei starkem Solarstrahlungsangebot und gleichzeitig geringem
Wärmebedarf beim Verbraucher kann die für die Wärmepumpe noch erträgliche Temperaturobergrenze
am Verdampfer überschritten werden. Um das zu verhindern, baut man entweder ein
Mischventil zwischen die Zu- und Ableitungen der Kühlsole zur Wärmepumpe - und nimmt
so die Überschußenergie am Absorber nicht ab - oder man führt die überschußenergie
einem Wärmespeicher zu, aus dem sie nach Abklingen der Solarstrahlung, z.B. nachts,
der Wärmepumpe zugeführt wird - was technisch vorteilhaft ist. Ob ein solcher Wärmespeicher
auch ökonomisch sinnvoll ist, hängt neben den die Gesamtkosten erhöhenden Investitionskosten
für die Speicher und die zugehörigen Meß- und Regeleinrichtungen von der Qualität
des Speichers und besonders von lokalen Klimafaktoren ab. Die Frage kann aber von
Fachleuten entschieden werden. Eine Anlage ohne Speicher ist aber in jedem Fall
weniger kapitalaufwendig und deshalb leichter allgemein einzuführen.
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Zum Gesamtkomplex gehört auch das Problem der Ästhetik.
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Bei historischen Gebäuden ist dieser Gesichtspunkt besonders wichtig.
Aber auch bei Wohnhäusern können z.B. Energiedächer, die sich im Aussehen von herkömmlichen
Ziegel- oder Schieferdächern stark unterscheiden, als häßlich empfunden und daher
abgelehnt werden. Daher sind kühlsoleführende Hohldachziegel vorgeschlagen worden.
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Bei einem Sturm muß man hierbei mit Leckagen rechnen. Auch Doppeldächer
sind zur Lösung vorgeschlagen worden. Hier liegen Kühlsoleleitungen oder -schläuche
auf einem Unterdach und werden von Spezialziegeln, die auf ihrer Unterseite Aussparungen
zur Aufnahme der Leitungen aufweisen, zugedeckt.
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Nun besteht ein weiteres großes Problem darin, den vorhandenen Althausbestand
mit Energiedächern oder -fassaden nachzurüsten. Die vorbeschriebenen Vorrichtungen
sind geeignet, alte Dächer völlig zu ersetzen, wobei natürlich in jedem Fall die
soledurchströmte Dachfläche mit einer guten und wasserdichten Wärmeisolierung zu
hinterlegen ist. Die meisten Althausdächer haben jedoch noch eine so lange Lebenserwartung,
daß man ihren Ersatz aus wirtschaftlichen Gründen nicht gern ins Auge faßt. Diese
Nachteile werden gemäß der nicht vorveröffentlichten älteren Patentanmeldung P 29
T7 098.7 dadurch vermieden, daß ein nachrüstbarer Absorber unter der Dachhaut (z.B.
Dachziegeln) angebracht wird. Der Absorber wird über Wärmeleitelemente wenigstens
teilweise in wärmeleitenden Kontakt mit der Dachhaut gebracht.
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Dabei kann die Rückseite des Absorbers, die dem Dachraum zugewandt
ist, außerdem noch zur Aufnahme von Konvektionswärme aus der Luft ausgebildet sein.
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Mit dieser nachrüstbaren Anordnung werden die Probleme der Asthetik,der
Vereisung und der großen Schneeschichten gelöst. Auch braucht der Wärmeabsorber
nicht mehr stabil gegen ultraviolette Sonnenstrahlung zu sein. Allerdings bringt
die Herstellung einer guten Wärmeleitung zwischen der Dachhaut und dem darunterliegenden
Absorber Probleme mit sich, die insbe-
sondere den ausführenden
Handwerkern nicht geläufig sind und deren Überwindung Zeit und Geld kosten kann
Auch für eventuell später notwendig werdende Reparaturen des Daches lassen sich
Schwierigkeiten mit den Wärmeleitelementen vorhersehen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Energiekollektoranlage
der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der der Absorber aus einfachen Materialien
hergestellt werden kann, die nicht UV-stabil sein müssen, und unter Vermeidung von
Wärmeleitelementen eine einfache Montage des Absorbers möglich ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß zwischen
der Außenhaut und dem Absorber ein in selbsttätiger Lüftungsverbindung zur Außenluft
stehender Luftspalt vorgesehen ist.
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Bei fehlender Sonneneinstrahlung fließt die am Absorber abgekühlte
Luft aufgrund ihrer höheren Dichte aus dem Spalt ab und wird durch etwas wärmere
Außenluft ersetzt.
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Ferner wird etwas Energie durch Strahlung und durch Konvektion von
der Dachhaut auf den kühleren Absorber übertragen. Bei Sonneneinstrahlung erhöht
sich die Temperaturdifferenz zwischen Außenhaut und Absorber. Die auf den Absorber
übertragbare Energiemenge aus Strahlungs- und Konvektionswärme wird entsprechend
vergrößert.
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Durch das Fortlassen von Wärmeleitelementen zwischen Außenhaut und
Absorber wird der Wärmeübergang von der Außenhaut auf den Absorber vermindert. Diese
Verminderung wird jedoch teilweise durch das ständige Nachziehen der wärmeren Außenluft
kompensiert. Wesentlich ist die Möglichkeit der einfachen Herstellung
und
Montage des Absorbers. Durch die räumliche Trennung des Absorbers von der Dachhaut
sind für den Architekten und Bauherrn die Zuständigkeiten von Dachdeckern (für die
Außenhaut) und Installateuren (für den Absorber) klar zu erkenen. Außerdem brauchen
die für die einzelnen Gewerke zuständigen Handwerker keine für sie neuen Techniken
zu erlernen.
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Durch die räumliche Trennung des Absorbers von der Dachhaut ist die
Belastung der Dachfläche durch Temperaturschwankungen geringer als bei den bekannten
Absorberdächern, wodurch die Lebensdauer des Dachbelages erhöht wird.
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Bei starker Sonneneinstrahlung und abgeschalteter Wärmepumpe wird
die Luft im Spalt wärmer als die Außenluft. Sie steigt daher aus dem Spalt auf und
zieht kühlere Luft nach. Hierdurch wird die Wärmebelastung der Dachräume reduziert.
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Zur Vergrößerung der wirksamen Absorberfläche kann in vorteilhafter
Weiterbildung der Erfindung der Absorber und die Isolierschicht durch einen weiteren
Luftspalt getrennt sein, welcher ebenfalls in selbsttätiger Lüftungsverbindung mit
der Außenluft steht.
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Bei fehlender Sonneneinstrahlung ist es zweckmäßig, den Luftspalt
offen zu halten. Bei Sonneneinstrahlung kann die der Wärmepumpe zur Verfügung gestellte
Eingangstemperatur dadurch erhöht werden, daß der Luftspalt durch eine Klappe geschlossen
wird. Hierdurch wird verhindert, daß die bei Sonneneinstrahlung wärmere Luft im
Spalt zu schnell abfließt und durch die dann kältere Außenluft ersetzt wird.
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Die Klappe kann derart angeordnet sein, daß sie sowohl den Luftspalt
zwischen Dachhaut und Absorber als auch den Luftspalt zwischen Absorber und Isolierung
absperrt. Es kann auch für jeden der Luftspalte eine eigene Klappe vorgesehen sein.
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Die Erfindung eignet sich insbesondere für Dächer, kann aber auch
für Fassaden in gleicher Weise angewandt werden. Der Energieabsorber ist nicht nur
für feststehende Gebäude geeignet, sondern auch für bewegliche Objekte, wie Wohnwagen,
Schiffe u. dgl.
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Durch die Anordnung des Absorbers hinter der wetterfesten Dachhaut
kann selbst bei großen Schneeschichten auf der Dachhaut eine ausreichende Belüftung
und damit auch ein ausreichender Wärmeaustausch am Absorber sichergestellt werden.
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Die geschilderte einfachste Anordnung eines Absorbers im Luftspalt
zwischen Dachhaut bzw. Fassade und wasserdichter Wärmeisolierung eines Gebäudes
ist bereits gut geeignet, Flachdächer in Energiedächer umzurüsten. Man kann vorteilhaft
in den unteren Luftspalt eines solchen Energiedaches warme und verbrauchte Luft
aus dem Gebäude führen, so dort abkühlen und so einen Teil der Energie zurückgewinnen,
die bei der Belüftung von Räumen verloren geht. Bei schrägen Energiedächern und
senkrechten Fassaden kann man analog vorgehen.
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Bei einem Schrägdach ist die Breite des durch den Absorber zu teilenden
Luftspalts im einfachsten Fall die Dachbalkenbreite. Die Feuchtigkeits- und Wärmeisolierung
wird dann unter den Dachbalken angebracht.
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Bei Energiefassaden wird man ähnliche Dimensionen wählen.
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Bei einem Schrägdach empfiehlt es sich im allgemeinen, den Luftspalt
zwischen Dachhaut und Isolierung seitlich zu verschließen, es sei denn, man hat
einen gewissen Dachüberstand über die Seiten des Gebäudes oder kann einen solchen
wählen. Bei verschlossenen Seiten bleibt der durch den Absorber geteilte Luftspalt
nach unten hin offen. Auch nach oben hin muß für eine - falls erforderlich, schneesichere
- Lüftungsöffnung am Dach oder an der Fassade gesorgt werden, damit die kalte Luft
am Absorber abfließen und warme Luft von außen nachfließen kann. Als obere Lüftungsöffnung
im Schrägdach kann man z.B. eine Reihe von Lüftungsziegeln wählen oder Lüftungsschornsteine
oder einen unter dem First verlaufenden Lüftungskanal mit einer öffnung im Giebel.
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Es kann auch die gesamte Dachfläche mit einer großen Zahl von Lüftungsöffnungen
versehen werden, was neue Möglichkeiten zur architektonischen Gestaltung der Dachflächen
eröffnet.
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In vorteilhafter Weise lassen sich in dieser Anordnung als Gebäudeaußenhaut,
die Solarstrahlung in Wärme umwandelt, Ziegeldächer oder -fassaden verwenden.
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Sie wirken aufgrund der ihnen eigenen Masse und Wärmekapazität wärmespeichernd
und temperaturausgleichend, was für einen Wärmepumpenbetrieb von Vorteil ist.
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Die hier nicht näher angeführten Einzelheiten der Konstruktion der
Energiekollektorelemente sind jedem Fachmann geläufig und erlauben ihm eine weitgehende
Gestaltungsfreiheit im Rahmen dieser Konstruktion.
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Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Figuren einige Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher erläutert.
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Es zeigen: Figur 1 einen schematischen Querschnitt durch ein Dach,
das mit einer Energieabsorberanlage ausgestattet ist, wobei die Belüftung der Luftspalte
durch zahlreiche Belüftungsziegel erfolgt, Figur 2 einen Schnitt durch eine andere
Dachkonstruktion mit einem Belüftungsschornstein und Figur 3 einen Schnitt durch
eine dritte Ausführungsform eines Daches mit einer Kollektoranlage, wobei die Belüftung
durch eine öffnung in der Giebelwand des Daches erfolgt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 besteht die Dachhaut 10 aus
Ziegeln, bei denen es sich zum Teil um die üblichen flachen oder strukturierten
Ziegel 11 und zu einem anderen Teil um Lüftungsiiegel 12 handelt. Die Lüftungsziegel
12 weisen nach außen gerichtete Ausbauchungen auf und haben an ihren Außenseiten
Öffnungen 13, durch die hindurch Luft in den Raum hinter der Dachhaut 10 einströmen
kann. Die Dachziegel 11 und 12 sind in der üblichen Weise an Dachlatten 14 befestigt,
die horizontal in Längsrichtung des Daches verlaufen.
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Die die Dach latten tragenden Balken sind aus Gründen der Übersichtlichkeit
nicht dargestellt.
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Unterhalb der aus den Dachziegeln 11, 12 gebildeten Dachhaut 10 befindet
sich, mit Abstand von der Dachhaut 10 und parallel zu dieser der Wärmeabsorber 15.
Bei diesem handelt es sich um einen flachen Behälter mit ebener Oberfläche, der
von
einer Wärmeübertragungsflässigkeit, z.B. Sole, durchflossen ist. Die Zulaufleitung
und die Ablaufleitung des Wärmeabsorbers 15 sind nicht dargestellt.
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Diese beiden Leitungen sind an den Verdampfer einer Wärmepumpe angeschlossen.
Die Wärmeübertragungsflüssigkeit nimmt im Wärmeabsorber 15 Wärme auf und erwärmt
sich.
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Sie verläßt daher den Wärmeabsorber 15 mit höherer Temperatur als
sie bei ihrem Eintritt hatte. Im Luftspalt 16 zwischen der Dachhaut 10 und dem Wärmeabsorber
15 gibt die dort befindliche Luft Wärme an den Wärmeabsorber 15 ab, wodurch sie
sich abkühlt. Die kältere Luft sinkt im Luftspalt 16 ab und verläßt diesen durch
den unteren Auslaßschlitz 17 an der Dachtraufe. Dadurch wird aus den Öffnungen 13
Außenluft nachgezogen, die wärmer ist als die zuvor abgesunkene Luft und die jetzt
ebenfalls Wärmeenergie an den Wärmeabsorber 15 abgibt.
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Hinter dem Wärmeabsorber 15 ist eine Isolierschicht 18 angeordnet,
die Wärmeverluste des Gebäudes verhindert und eine Isolierung zwischen dem Wärmeabsorber
15 und dem Gebäudeinneren bewirkt. Zwischen dem flächenförmigen Wärmeabsorber 15
und der Isolierschicht 18 befindet sich der zweite Luftspalt 19. Durch ihn wird
die in Kontakt mit der Luft stehende wirksame Oberfläche des Wärmeabsorbers 15 vergrößert.
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Den oberen Abschluß des Daches bildet im vorliegenden Fall der Firstbalken
20, der mit den Firstziegeln 21 überdeckt ist. Die beiden Dachschrägen sind in ihrem
konstruktiven Aufbau einander gleich. Dies bedeutet, daß unter jeder Schrägfläche
ein flächenförmiger Wärmekollektor 15 und dahinter eine Isolierschicht 18 angeordnet
ist. Der Wärme-
absorber 15 hat keinen wärmeleitenden Kontakt zur
Dachhaut 10.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 2 ist die Dachhaut 10 in flacher
Form dargestellt, sie kann jedoch auch aus einzelnen Ziegeln bestehen, die auf den
Dachlatten 14 auf liegen Die Anordnung des Wärmeabsorbers 15 und der Isolierschicht
18 in Bezug auf die Dachhaut 10 ist die gleiche wie bei dem Ausführungsbeispiel
nach Figur 1, jedoch weist bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 2 die Dachhaut
10 keine Belüftungsöffnungen auf. Die Belüftung der Spalte 16 und 19 erfolgt durch
einen speziellen Belüftungsschornstein 22, der oberhalb des Firstbalkens 20 angeordnet
ist und durch eine auf Stützen befestigte Haube oder Platte 23 gegen einfallenden
Regen oder Schnee geschützt ist. Auch bei einer auf der Dachhaut 10 liegenden hohen
Schneelage bleibt die Öffnung des Belüftungsschornsteins 22 frei, so daß eine ausreichende
Luftnachlieferung in die Spalte 16 und 19 hinein sichergestellt ist. Die Luft, die
Wärme an den Wärmeabsorber 15 abgegeben hat, sinkt auch hier anschließend ab und
verläßt den Raum zwischen Dachhaut 10 und Isolierschicht 18 durch den unteren Schlitz
17 an der Traufe. Dadurch wird Außenluft durch den Belüftungsschornstein 22 hindurch
nachgezogen.
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Wenn Sonnenstrahlung auf die Dachhaut 10 auftrifft, erwärmt sich die
in den Spalten 16 und 19 befindliche Luft. Um zu verhindern, daß diese Luft zu schnell
dadurch entweicht, daß sie aufsteigt und durch den Belüftungsschornstein 22 nach
außen gelangt, ist
im unteren Bereich des Belüftungsschornsteins
22 eine Luftklappe 24 angeordnet, mit der der Belüftungsschornstein abgesperrt werden
kann. Dadurch wird auch die obere Verbindung der Spalte 16 und 19 mit der Außenluft
verschlossen. Die Klappe 14 kann entweder zwischen auf und zu verstellt werden,
jedoch kann ihre Stellung auch kontinuierlich verändert werden, so daß als Drosselklappe
wirkt.
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Die Spalte 16 und 19 beider Dachschrägen vereinigen sich im Bereich
des Firstbalkens 22 und stehen dort mit dem Belüftungsschornstein 22 in Verbindung.
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Figur 3 zeigt einen Vertikalschnitt durch eine andere Ausführungsform
eines Daches, mit Blick gegen die Giebelwand 24. Im oberen Bereich der Giebelwand
24 ist eine öffnung 25 vorgesehen, durch die Außenluft in den Bereich zwischen den
Isolierschichten 18 und der Außenhaut 10 gelangen kann, wo sie um die freischwebend
montierten Wärmekollektoren 15 herumströmt. Zweckmäßigerweise befindet sich eine
entsprechende Öffnung 25 auch auf der gegenüberliegenden Giebelseite, so daß das
Dach auf seiner gesamten Länge durchlüftet wird.
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Bei sämtlichen Ausführungsbeispielen stoßen die Isolierschichten 18
beider Dachschrägen entlang ihrer oberen Längskanten gegeneinander. Sie sind zweckmäßigerweise
nicht nur wärmeisolierend, sondern auch feuchtigkeitsisolierend ausgebildet.
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