DE3740618A1 - Fundamentabsorber zur gewinnung und speicherung von umfeldwaerme fuer eine monovalente waermepumpenheizung - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Fundamentabsorber zur Gewin­ nung und Speicherung von Umfeldwärme, insbesondere zur Gewin­ nung und Speicherung der auf die Dachfläche eines Gebäudes eingestrahlten Sonnenenergie entsprechend den Merkmalen des Gattungsbegriffes und den Ansprüchen 1 bis 4, zum Zwecke der Nutzbarmachung dieser Sonnenenergie für die Beheizung eines Ge­ bäudes mit einer Wärmepumpe.

Bekannt ist eine Heizungs- und Klimaanlage gemäß DE-OS 24 11 308, welche auf dem Prinzip der Wärmepumpe beruht und, im Ver­ gleich zu anderen ähnlichen und bekannten Einrichtungen, eine bessere Regulierbarkeit und u. a. die Nutzung sowohl der Erd­ wärme als auch der auf die Dachfläche eines Gebäudes einge­ strahlten Sonnenenergie ermöglichen soll. Bei dieser Erfindung soll mit Hilfe einer oder mehrerer Wärmepumpen u. a. die Erd­ wärme mit Hilfe von Wärmeträgerflüssigkeit führenden Leitungen im Erdreich und die auf die Dachfläche eingestrahlte Wärme mit Hilfe von Wärmeträgerflüssigkeit durchströmten Kollektoren oder mit Hilfe von Verdampfern aus der Dachfläche gewonnen werden. Nachteilig ist, daß dabei für die Gewinnung von Sonnenenergie in der Dachfläche besondere anlagentechnische und kostenauf­ wendige Einrichtungen, nämlich Kollektoren oder Verdampfer vorgesehen sind. Die Gewinnung der auf die Dachfläche einge­ strahlten Sonnenenergie kann nur mit anlagentechnischem Aufwand, d. h. Kollektoren und Verdampfern, erfolgen und damit auch nur wenn Wärmebedarf und Wärmepumpenbetrieb mit der Sonneneinstrah­ lung zeitlich zusammenfallen. Ein Wärmegewinn außerhalb der Wärmepumpenbetriebszeit erfordert zusätzlichen, anlagentech­ nischen Aufwand, nämlich besondere Wärmespeicher. Die Kombi­ nation der Wärmegewinnung aus dem Erdreich mit jener aus in der Dachfläche angeordneten Kollektoren erfordert zudem kompli­ zierte, störungsanfällige und weitere Kosten verursachende Umschaltsteuerungen. Die alternative Kombination der Wärmege­ winnung aus dem Erdreich mit jener aus in der Dachfläche ange­ ordneten Verfampfern erfordert sowohl für das Erdreich eine besondere, für den Betrieb mit Wärmeträgerflüssigkeit geeignete Wärmepumpe als auch eine weitere für den Verdampfer-Betrieb ge­ eignete, weitere Kosten verursachende Wärmepumpe. Die Nutzung der mit Kollektoren oder Verdampfern und Wärmepumpe zu erschlie­ ßenden Sonnenenergie muß außerdem mit teurem Tagstrom erfolgen.

Bekannt ist auch eine Wärmepumpenheizung mit Fundamentabsorber gemäß P 34 42 569.1-13, wobei dieser Wärme aus dem Erdreich und aus der Gebäudeabluft gewinnt; letzteres mit in den Fundamentab­ sorber einbetonierten Kanälen zur Rückgewinnung von Wärme, u. a. aus der Gebäudeabluft und mit in den Fundamentabsorber einbeto­ nierten Wärmeträgerflüssigkeit führenden und mit einer Wärme­ pumpe verbundenen Leitungen zur Entnahme von Wärme aus dem Fundamentabsorber. Nachteilig daran ist, daß die Wärmerückge­ winnung aus der Gebäudeabluft nur einen relativ kleinen Teil des Umfeldenergiebedarfs - größenordnungsmäßig 60% - der Wärme­ pumpenheizung decken kann. Damit muß für einen monovalenten Betrieb entweder der Wärmebedarf des Gebäudes mit Hilfe einer unwirtschaftlich starken Wärmedämmung so weit verringert werden, daß die aus der Gebäudeabluft und dem Erdreich gewinnbare Wärme ausreicht; oder es muß der Erdwärmeanteil mit Hilfe zusätz­ licher im Freiflächenbereich angeordneter, kostenaufwendiger Erdkollektoren über das Maß hinaus vergrößert werden, was dem Erdreich unter dem Haus ohne Frostgefahr für die Fundamente entnommen werden kann. Ferner ist an der o. g. Erfindung nach­ teilig, daß die zur Gebäudeabluftführung in den Fundamentab­ sorber einzubetonierenden Kanäle in der Planung und Herstellung aufwendig sind.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, dem Fundamentabsorber (1) mit geringem Aufwand an Kosten und anlagetechnischen Geräten so viel über die vom Erdreich lieferbare Wärme hinausgehende Wärme zuzuführen, daß weder unwirtschaftlich anzuordnende und kostenaufwendige Erdkollektoren erforderlich werden. Nahe läge, dem Fundamentabsorber (1), außer der Wärme der Gebäudeabluft, zusätzlich dann Außenluft zuzuführen, wenn diese wärmer als der Fundamentabsorber ist; doch müßten dabei - angesichts der niederen Außenluft-Temperaturen während der Heizperiode - große Luftmengen durch einen Fundamentabsorber mit großen und trotz­ dem geringe Widerstände bildenden Wärmetauschflächen gefördert werden, der zudem noch so aufgebaut sein muß, daß er das Ge­ wicht des Gebäudes auf das Erdreich übertragen kann, wofür auch in P 34 42 561.1-13 kein kostengünstiger Aufbau offenbart ist.

Gelöst wird die Aufgabe durch die Nutzbarmachung der auf die Dachfläche eingestrahlten Sonnenenergie, mit welche dem Funda­ mentabsorber (1) so häufig und so viel Wärme aus der Dachkon­ struktion zugeführt werden kann, daß in Kombination mit der Wärme aus dem Erdreich unter dem Haus für jene Zeiträume, in welchen es sehr kalt oder das Dach schneebedeckt ist, eine mono­ valente Wärmepumpenheizung problemlos, d. h. ohne Frostgefahr für die Fundamente, sichergestellt werden kann.

Erfindungsgemäß wird die auf die Dachfläche eingestrahlte Wärme dem Fundamentabsorber dadurch zugeführt, daß die in den Hohl­ räumen (6) zwischen der Dachdeckung (9) (z. B. Ziegel) und der Wärmedämmung (10) der Dachkonstruktion befindliche und durch Sonneneinstrahlung erwärmte Luft durch den Ventilator (7) und über den Kanal (5) abgesaugt und durch die dem Fundamentab­ sorber (1) zugeordneten Hohlräume (4) gefördert wird, wo diese Luft ihre Wärme an den Fundamentabsorber (1) abgibt. Die als Luftkollektor wirkenden Hohlräume (6) zwischen der Dachdeckung und der Wärmedämmung (10) sind bei den allermeisten Dachkon­ struktionen aus bauphysikalischen Gründen ohnehin vorhanden; d. h. es müssen nicht erst Wärmesammler mit besonderen und kostenaufwendigen anlagetechnischen Einrichtung hergestellt werden. Die dem Fundamentabsorber (1) zuzuordnenden Hohlräume (4) werden dadurch hergestellt, daß die über dem Fundamentab­ sorber (1) und unter dem Estrich (12) einzubauenden Wärmedämm­ platten (14) auf Füßchen (13) gelegt werden. Dabei können diese Füßchen (13) an die Wärmedämmplatten (14) bereits seitens des Herstellers der Wärmedämmplatten mit geringem Aufwand angeklebt oder angeformt werden. Diese Ausbildung der Hohlräume (4) gewährleistet außerdem sowohl mehr als ausreichend große Wärme­ tauschflächen als auch sehr geringe Luftdurchgangswiderstände und damit auch für den Ventilator (7) den Einsatz kleiner und wenig Strom verbrauchender Geräte. Der Wärmetransport mit Luft und die Einspeicherung von deren Wärme in den Fundamentabsorber (1) ist vom Betrieb und von der Steuerung der Wärmepumpe völlig unabhängig; er wird nur mit einer Temperaturdifferenzschaltung (8) ein- und ausgeschaltet und ist somit technisch ebenso ein­ fach wie kostengünstig.

Der Fundamentabsorber (1) ist eine Beton-Fundamentplatte, die an die Stelle von sonst erforderlichen Streifenfundamenten und Betonböden tritt, und somit ebenfalls keine oder nur sehr ge­ ringe Mehrkosten verursacht. Die mit Hilfe der im Dach erwärm­ ten Luft dem Fundamentabsorber (1) zugeführte Wärme wird diesem über Wärmeträgerflüssigkeit führende Leitungen (2) von der Wärmepumpe (3) bei Bedarf und vorzugsweise nachts mit billigem Strom entnommen und den Heizflächen (11) des Gebäudes zugeführt. Während jener Zeiten, in welchen aus dem Dach wegen Schneelage oder sehr kalter Witterung keine Wärme zur Verfügung steht, ent­ nimmt der Fundamentabsorber (1) die erforderliche Wärme dem Erd­ reich. Auf diese Weise werden mit dem Fundamentabsorber mit den Merkmalen des Gattungsbegriffs und den Kennzeichen gemäß An­ spruch 1 bis 4 weitgehend ohnehin vorhandene und notwendige Bau­ konstruktionen dazu genutz, um die überreichlich in der Dach­ fläche anfallende Wärme immer dann zu gewinnen und zu speichern, wenn sie an warmen und sonnigen Tagen anfällt, um sie mit der Wärmepumpe nach Bedarf und mit billigem Nachtstrom zur Heizung zu nutzen. Die auf die Dachfläche eingestrahlte Sonnenenergie wird in den Fundamentabsorber (1) und in das an diesen angren­ zende Erdreich in dem Umfang eingespeichert, daß Fundamentab­ sorber und Erdreich trotz laufender Entwärmung durch die Wärme­ pumpe (3) das Temperaturniveau des umgebenden, nicht entwärmten Erdreichs beibehalten. Die eingespeicherte Wärme kann so - man­ gels Temperaturgefälle - auch nicht in das umgebende Erdreich abfließen und steht zur Entnahme durch die Wärmepumpe zu jedem beliebigen Zeitpunkt zur Verfügung.

Die auf das Dach eines Hauses eingestrahlte Sonnenenergie, mit Hilfe von Luft als Wärmeträger, in einen Fundamentabsorber und in das an diesen angrenzende Erdreich unter einem Gehäuse ein­ zuspeichern liegt nicht nahe. Normalerweise erfordert der Trans­ port von Wärme mit Luft als Wärmeträger sehr große Volumen­ ströme und platzraubende Kanalquerschnitte - insbesondere wenn der Wärmetransport mit mäßiger Lufttemperatur erfolgen soll.

Nicht so bei der erfindungsgemäßen Ausbildung des Wärmequellen­ systems:

Zum einen erreicht die z. B. in Mitteleuropa in den Monaten Okt. bis April auf die Dachfläche eines Hauses eingestrahlte Sonnen­ energie den Umfang von ca. 150% dessen, was eine monovalent be­ triebene Wärmepumpenheizung an Umfeldenergie für ein ent­ sprechend der deutschen Wärmeschutzverordnung gedämmtes, 2- geschossiges Haus benötigt. Aus dem Erdreich unter einem solchen Haus können bei Entnahme der sog. sensiblen Wärme (Entwärmung von der Temperatur nicht entwärmten Erdreichs bis zur Frostgrenze) etwa 60% des Umfeldenergiebedarfs der o. g. Heizung gedeckt werden. Somit steht zusammen weit mehr an Um­ feldenergie zur Verfügung als gebraucht wird.

Zum andern ist die Speicherfähigkeit des Fundamentabsorbers und des ihn umgebenden Erdreichs (im sensiblen Bereich pro Heiz­ periode größenordnungsgemäß 70 kWh/m²) so groß, daß diese in Verbindung mit dem Überangebot aus dem Dach es erlaubt, zum Einspeichern von Sonnenenergie in den Fundamentabsorber und in das angrenzende Erdreich jene Tage und Wochen auszuwählen, an welchen mit wenig aber desto wärmerer Luft Wärme vom Dach in den Fundamentabsorber transportiert werden kann.

Dies ermöglicht kleine, für den Grundriß eines Hauses unschäd­ liche Kanalquerschnitte und ebenso kleine, billige und wenig Strom verbrauchende Ventilatoren.

Im Vergleich zu DE-OS 24 11 308 und ähnlichen Systemen besteht also der Fortschritt darin, daß der Aufwand an Technik und Kosten der erfindungsgemäßen Wärmequellenanlage nur noch ein Bruchteil beträgt und, daß die auf die Dachfläche eingestrahlte Sonnenenergie immer - auch wenn die Wärmepumpe nicht in Betrieb ist - durch Einspeicherung in den Fundamentabsorber und in das umgebende Erdreich genutzt wird; und außerdem darin, daß die Nutzung der tagsüber anfallenden Sonnenenergie mit der Wärme­ pumpe nachts mit billigem Nachtstrom erfolgt.

Im Vergleich zu P 34 42 569.1-13 besteht der Fortschritt darin, daß die insgesamt dort knapp bemessene Versorgung mit Umfeld­ wärme aus Erdreich (ca. ²/₃) und Gehäuseabluft (ca. ¹/₃) durch die Nutzbarmachung der auf die Dachfläche des Gebäudes einge­ strahlten Sonnenenergie ENTSCHEIDEND verbessert wird, weil die auf die Dachfläche eines Gebäudes während der Heizperiode ein­ gestrahlte Sonnenenergie 1¹/₂mal(!) so groß ist wie der gesamte Umfeldenergiebedarf einer Wärmepumpenheizung für eine ganze Heizperiode. Dadurch wird die für ca. 60% des jährlichen Umfeldenergiebedarfs einer monovalenten Wärmepumpenheizung aus­ reichende Wärmereserve des Erdreichs unter dem Haus nur noch in Zeiten fehlender Wärme aus dem Dach in Anspruch genommen, wofür diese reichlich ausreicht, zumal jede Abkühlung des Fundament­ absorbers infolge Wärmeentzugs einen desto früheren Wärmenach­ schub aus dem Dach mit der Hilfe des Temperaturdifferenz­ schalters an allen wärmeren Tagen mit Sonnenschein innerhalb einer Heizperiode auslöst. Die somit verfügbare Überschuß­ energie ist zudem keinesfalls unnütz sondern erhöht die Wärme­ quellentemperatur und damit die Leistungszahl der Wärmepumpe und ermöglicht die Wahl kleinerer und billigerer Wärmepumpen.

Die nunmehr überreichlich zur Verfügung stehenden Energiemengen aus dem Dach in Verbindung mit den Reserven an Erdwärme unter dem Haus für Zeiträume fehlender Wärme aus dem Dach, mit Hilfe einer weitgehenden Nutzung baukonstruktiver Gegebenheiten mit einem überaus geringen Aufwand an Anlagentechnik und Kosten, samt der - durch die Zwischenspeicherung der Sonnenenergie im Fundamentabsorber und im angrenzenden Erdreich ermöglichten - Nutzung durch eine mit billigem Nachtstrom betriebenen Wärme­ pumpe, bewirken einen großen Fortschritt, der nunmehr eine mono­ valente Wärmepumpenheizung mit guten Leistungszahlen auch an kalten Tagen ermöglicht, und dies, ohne daß zusätzliche Erdkol­ lektoren im Freiflächenbereich oder ein großer Aufwand an Tech­ nik und Kosten oder unwirtschaftlich starke Wärmedämmungen be­ nötigt würden und ohne daß Einschränkungen in der Konstruktion und Gestaltung des Baukörpers hingenommen werden müßten und ohne daß noch eine Frostgefahr für die Gründung eines Hauses zu befürchten wäre.

Claims (4)

1. Fundamentabsorber (1) zur Gewinnung und Speicherung von Umfeld­ wärme zum Zwecke der Beheizung eines Gebäudes mit einer Wärme­ pumpe (3), wobei in den im Fundamentbereich des Gebäudes ange­ ordneten Fundamentabsorber (1) Wärmeträgerflüssigkeit führende Leitungen (2) zur Entnahme von Wärme aus dem Fundamentabsorber (1) einbetoniert und mit einer Wärmepumpe (3) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß - zur Gewinnung und Speicherung von auf die Dachdeckung (9) des Gebäudes eingestrahlter Sonnen­ energie - dem Fundamentabsorber (1) zugeordnete Hohlräume (4) durch einen Luft als Wärmeträger führenden Kanal (5) mit Hohl­ räumen (6) in der Dachkonstruktion eines Gebäudes verbunden sind.

2. Fundamentabsorber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume (4) zwischen dem Fundamentabsorber (1) und den unter dem Estrich (12) einzubauenden, auf Füßchen (13) aufge­ legten Wärmedämmplatten (14) angeordnet sind.

3. Fundamentabsorber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Kanal (5) ein Ventilator (7) zur Förderung von Luft als Wärmeträger von den Hohlräumen (6) im Dach zu den Hohlräumen (4) des Fundamentabsorbers eingebaut ist.

4. Fundamentabsorber nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ventilator (7) durch eine Temperaturdif­ ferenzschaltung (8) in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der Temperatur im Fundamentabsorber (1) und der Temperatur der Luft in den Hohlräumen (6) der Dachkonstruktion eines Gebäudes ein-und ausgeschaltet wird.