DE102008039010A1

DE102008039010A1 - Systemwand

Info

Publication number: DE102008039010A1
Application number: DE102008039010A
Authority: DE
Inventors: Volkhard Dr. Nobis; Norbert Steinhoff
Original assignee: GEA Air Treatment GmbH
Current assignee: FlaektGroup Deutschland GmbH
Priority date: 2008-08-21
Filing date: 2008-08-21
Publication date: 2010-02-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Systemwand als im Wesentlichen raumhohes Fertigbauteil, wobei ein Zwischenraum vorgesehen ist, der sich über den größten Teil der Höhe der Systemwand erstreckt und zur Außen- und Innenseite jeweils mit einer senkrechten Abdeckung, insbesondere einer Verglasung, abgedeckt ist, dass der Zwischenraum zum Durchströmen von Luft mindestens eine Außenluftöffnung zur Atmosphäre und mindestens eine Innenluftöffnung zum Gebäudeinneren aufweist, und dass in dem den Zwischenraum durchströmenden Luftstrom mindestens ein Wärmespeicher, insbesondere ein Latentwärmespeicher und/oder ein Wärmetauscher, angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Systemwand insbesondere als Fassadenelement als im Wesentlichen raumhohes Fertigbauteil.
Es ist bekannt, Glasfassaden aus Fassadenelementen als Fertigbauteile zusammenzusetzen. Für den Einbau von Heizung, Kühlung, Lüftung und Verschattung entsteht hierbei ein erheblicher zusätzlicher Aufwand.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Systemwand als im Wesentlichen raumhohes Fertigbauteil zu schaffen, die bei hoher Flexibilität und einfacher Konstruktion ein Höchstmaß an Energieeffizienz bietet und vorzugsweise in Glasfassaden einsetzbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Zwischenraum vorgesehen ist, der sich über den größten Teil der Höhe der Systemwand erstreckt und zur Außen- und Innenseite jeweils mit einer senkrechten Abdeckung insbesondere einer Verglasung abgedeckt ist, dass der Zwischenraum zum Durchströmen von Luft mindestens eine Außenluftöffnung zur Atmosphäre und mindestens eine Innenluftöffnung zum Gebäudeinneren aufweist, und dass in dem den Zwischenraum durchströmenden Luftstrom mindestens ein Wärmespeicher insbesondere ein Latentwärmespeicher und/oder ein Wärmetauscher angeordnet ist.
Eine solche Systemwand übernimmt bei einfacher Konstruktion und Herstellung die Funktionen von Heizung, Kühlung und Lüftung, Raumhelligkeitskontrolle, Sichtschutz und reduziert hierbei erheblich den Energiebedarf eines Gebäudes. Die Systemwand ist als Fertigbauteil wie eine Gebäudewand insbesondere wie ein Fenster in eine Gebäudeaußenwand einsetzbar und besitzt hierbei alle Komponenten zur effizienten Lüftung mit wahlweiser Kühlung und Erwärmung, Nutzung der Außen- und Innentemperaturen, Nutzung der solaren Einstrahlung, effizienter Abschattung und regelungstechnischer Optimierung des Zusammenwirkens der einzelnen Komponenten. Hierbei kann bei geschickte rund effizienter Steuerung wesentlich an Energie gespart und ein optimales Klima in den Räumen erreicht werden.
Die zur Frischluftversorgung dienende „Lüftungskomponente” minimiert den Energiebedarf durch minimale innere Strömungsgeschwindigkeiten und Druckverluste. Es wird eine integrierte Wärmerückgewinnung zwischen Raum- und Außenluft erzielt, insbesondere durch eine optionale Wärmepumpe, die der nach außen geführten Raumluft Energie entzieht und diese der dem Raum zugeführten Außenluft wieder zuführt. Wärmerückgewinnung und Wärmepumpe sind umgeh- bzw. abschaltbar, so dass auch eine „freie Kühlung” durch Zufuhr kalter Außenluft möglich ist. Der Energiebedarf für den erforderlichen Lufttransport wird insbesondere dadurch minimiert, dass temperaturbedingte Dichteunterschiede der Luft zusätzlich genutzt werden, d. h. durch das Gerät aufzuwärmende Luftströme passieren das Modul von unten nach oben, abzukühlende Luftströme entgegensetzt von oben nach unten. Die Abkühlung der Luft erfolgt dabei im oberen Gerätebereich und die Aufwärmung im unteren Gerätebereich, so dass die durch den Dichteunterschied verursachte auf-, bzw. abwärts gerichtete „Kaminwirkung” maximal ist.
Voraussetzung ist die Nutzung der maximal verfügbaren Höhe innerhalb der Systemwand um signifikante Auftriebskräfte zu erreichen. Vorzugsweise werden Axialventilatoren zur Unterstützung der Luftströmung eingesetzt, welche bei Stillstand durch klappbare Flügel den Druckverlust über den Ventilator minimieren.
Die erforderliche elektrische Versorgung der Systemwand erfolgt wahlweise über ein ebenfalls integriertes Photovoltaik-Modul oder über einen elektrischen Anschluss, der die einzige Schnittstelle zum Gebäude darstellt.
Das in die Systemwand integrierte Scheibenmodul ist ein Jalousie-Scheiben-System, über das die Sonneneinstrahlung in den Raum beeinflussbar ist und auch gänzlich verhindert werden kann und über das auch ein insbesondere in den Nachtstunden relevanter Strahlungsverlust verhindert werden kann. Hierzu wird eine mit verschiednen Jalousien kombinierte Mehrfachverglasung eingesetzt, die:

– an der Außen- und Innenseite oder
– im Scheibenzwischenraum befinden.

Anstelle einer einzelnen oder aller Jalousien werden elektrochrome Scheiben oder Beschichtungen verwendet, bei denen die Eigenschaften hinsichtlich Reflexion und Strahlungsdurchlässigkeit durch eine elektrische Spannung veränderbar sind. Zur Ausnutzung des Tagestemperaturgangs, d. h. der in den Nachtstunden tieferen und der in den Tagstunden höheren Außentemperaturen, verfügt die Systemwand über ein Speichersystem, das durch die wechselweise Beaufschlagung mit Außen- und Raumluft geladen und entladen werden kann. Als Speichermaterial werden vorzugsweise Phasenwechselmaterialien verwendet, die eine maximale Speicherkapazität bei minimalem Speichervolumen besitzen. Abhängig von der Jahreszeit bzw. dem Auftreten einer Heiz- oder Kühllast wird beim Ladevorgang die „Wärme” oder „Kälte” der Außenluft gespeichert und diese beim Entladevorgang der Raumluft zugeführt.
Im Heizfall kann der Ladevorgang alternativ oder unterstützend durch einen zusätzlichen an der Außenseite der Systemwand befindlichen Warmwasserkollektor erfolgen. Hierbei durchströmt das durch die Sonneneinstrahlung im Kollektor erwärmte Wasser zusätzlich oder alternativ das in der Systemwand befindliche Speichermaterial und wärmt diese auf.
Zur Bereitstellung der zum Betrieb der einzelnen Komponenten erforderlichen Hilfsenergie ist die Außenseite der Systemwand auch mit Solarzellen bestückt, die die solare Einstrahlung in elektrische Energie umwandeln.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch und in senkrechten Schnitten dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 die schematische Darstellung eines Gebäudes mit einer Systemwand die als Fertigbauteil im Gebäude integriert ist,
2 eine Systemwand mit in ihrer Höhe gekürzten Darstellung;
3 die Systemwand nach 2 bei Nacht im Sommer, speichern der Nachtkälte;
4 die Systemwand nach 2 bei Tag im Sommer, entladen der gespeicherten Nachtkälte;
5 die Systemwand nach 2 bei Tag im Winter, speichern der Tagwärme, konvektiv und Sonnenenergie;
6 die Systemwand nach 2 bei Nacht im Winter, entladen der gespeicherten Tagwärme;
7 die Systemwand im Heizmodus bei Minimierung des Aufwandes durch auftriebsbedingte Kräfte und niedrigste Druckverluste für den Lufttransport,
8 die Systemwand nach 7 im Kühlmodus, bei Minimierung des Aufwandes durch antriebsbedingte Kräfte und niedrigste Druckverluste;
9 eine Systemwand mit innerer Abschattung in Form einer Jalousie,
10 die Systemwand nach 9 mit geschlossener Jalousie, zur Unterbringung von Abstrahlungsverlusten und als Sichtschutz;
11 eine Systemwand mit elektrochromen Beschichtungen auf den Scheiben der Verglasung bei Tag, zur gezielten Steigerung des Strahlungsverlustes;
12 die Systemwand nach 11 bei Nacht, zur gezielten Steigerung des Strahlungsverlustes;
13 der Schaltplan eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Systemwand.
Eine Systemwand 1 bildet die Außenwand eines Gebäudes 2 als Fertigbauteil insbesondere mit einer doppelseitigen Verglasung. Die Systemwand 1 bildet damit ein Fassadenelement, wobei der Zwischenraum 3 sich über den größten Teil der Höhe des Fassadenelements erstreckt und zur Außenseite sowie zur Innenseite jeweils mit einer senkrechten Abdeckung insbesondere einer senkrechten Glasscheibe bzw. einer Verglasung 4 abgedeckt ist. Die Systemwand hat damit mindestens die Höhe des Gebäuderaumes und der Innen- bzw. Zwischenraum 3 der Systemwand 1 ist wahlweise und oft abwechselnd in senkrechter Richtung von der Außenluft oder von der Raumluft durchströmt, wobei im Zwischenraum 3 verschiedenste Vorrichtungen/Geräte angeordnet sind, insbesondere mindestens ein Wärmespeicher wie ein Latentwärmespeicher 5, mindestens ein Wärmeaustauscher 6, 7, mindestens ein Lüfter 21, 34 und/oder eine Abschattungsvorrichtung wie eine Jalousie 8 oder ein Rollo. Die Kombination der Komponenten erlaubt die Anpassung der Systemwand an verschiedene Klimazonen.
In 2 ist schematisch dargestellt, dass in den beidseitigen Abdeckungen insbesondere den Verglasungen 4 auf der Raumseite eine obere Innenluftöffnung 9 und eine untere Innenluftöffnung 10 sowie auf der Außenseite eine obere Außenluftöffnung 11 und eine untere Außenluftöffnung 12 vorgesehen sind, wobei diese Öffnungen innerhalb der Abdeckungen insbesondere der Verglasungen 4 oder vorzugsweise am äußeren Rand der Abdeckung, bzw. Verglasungen oben und unten angeordnet sind.
In 2 ist dargestellt, wie warme Raumluft über die Öffnung 9 seine Energie an den Wärmespeicher 5 abgibt und als abgekühlte Raumluft über die Öffnung 12 nach außen gelangt. Gleichzeitig oder später gelangt kalte Außenluft über die Öffnung 11 zum Wärmespeicher 5 und wird als vorgewärmte Außenluft über die Öffnung 10 in den Raum des Gebäudes gebracht. Wie dies vorteilhaft einsetzbar ist, zeigen die 3 bis 6. So wird nach 3 im Sommer nachts kalte Außenluft durch den Wärmespeicher geführt und wieder nach außen gebracht um den Speicher abzukühlen, so dass dann am Tag entsprechend 4 die Raumluft durch den Wärmespeicher gekühlt werden kann.
In den 5 und 6 wird dir umgekehrte Wirkungsweise gezeigt, bei der im Winter tags warme Außenluft den Wärmespeicher erwärmt und entsprechend 6 nachts die kühle Raumluft vom Wärmespeicher erwärmt wird. Hierbei kann zusätzlich ein Sonnenkollektor 13 vorteilhaft eingesetzt werden, der über einen Kreislauf 14 und eine Pumpe 15 am Wärmespeicher angeschlossen ist, um den Wärmespeicher zusätzlich zu erwärmen.
In 7 ist dargestellt, wie durch die untere Außenluftöffnung 12 kalte Außenluft durch einen unten im Zwischenraum 3 angeordneten Wärmeaustauscher erwärmt und vorzugsweise ohne einen Ventilator, bzw. solche mit niedrigem Strombedarf aufgrund niedriger Pressung durch den Zwischenraum nach oben strömt, um im oberen Bereich durch die obere Innenluftöffnung 9 in den Gebäuderaum auszutreten. Hierbei kann die nach oben strömende Luft im Zwischenraum 3 noch durch die Sonneneinstrahlung zusätzlich erwärmt werden. Eine solche Konstruktion hat den erheblichen Vorteil, dass der Aufwand für den Lufttransport minimiert ist, da die Luft selbsttätig nach oben strömt und den Raum heizt ohne einen Ventilator zu erfordern.
In 8 ist dieselbe Konstruktion im Kühlmodus dargestellt, wobei warme Außenluft über die obere Außenluftöffnung 11 durch einen oberen Wärmeaustauscher 7 durch den Zwischenraum 3 selbsttätig nach unten strömt, um über die untere Innenluftöffnung 10 in den Raum zu gelangen, so dass eine Raumkühlung erreicht wird, ohne den Lufttransport mechanisch durch einen Lüfter zu bewirken. Allein durch das Regeln der Absperrorgane in den Luftöffnungen 9, 10, 11, 12 werden die o. g. gewünschten Funktionen des Heizens und Kühlens erreicht.
Hierbei werden die Vorrichtungen 6, 7 entweder von einem Wärmespeicher insbesondere einem Latentwärmespeicher oder von einem Wärmeaustauscher gebildet, der an einem Latentwärmespeicher angeschlossen ist.
In 9 ist dargestellt, dass zwischen den beiden Glasscheiben der Verglasung 4 eine Jalousie 8 angeordnet ist, die die Sonneneinstrahlung abschattet und bei geschlossener Jalousie, wie in 10 dargestellt, eine Abstrahlung von Wärme oder Kälte nach außen verhindert und zusätzlich einen Sichtschutz bildet.
Die in 9 und 10 dargestellte Konstruktion wird vorzugsweise und besonders vorteilhaft auch als Sonnenkollektor verwendet, der den Raum des Gebäudes direkt erwärmt. Hierzu tritt von unten in den Zwischenraum 3 Raumluft ein, wird von der Sonnenstrahlung insbesondere durch die Jalousie 8 erwärmt und tritt oben aus dem Zwischenraum zum Rauminneren hin aus. Es erfolgt somit ein direktes Heizen des Gebäuderaumes. Alternativ oder zusätzlich wird die im Zwischenraum 3 erwärmte Luft zu einem Wärmespeicher geführt, der insbesondere nachts als Nachtspeicher wirkt und je nach Bedarf die Wärme in den Gebäuderaum als erwärmte Luft abgibt.
Die 11 und 12 zeigen außenseitige elektrochrome Beschichtungen 15 der Verglasungen 4, durch die die Wärmestrahlung steuerbar ist ohne die Sicht zu versperren. Je nach der Stärke der Sonneneinstrahlung sorgt die elektrochrome Beschichtung für einen stärkeren oder geringeren Strahlungsdurchlass.
In 13 ist schematisch das Strömungsschaltbild eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Systemwand dargestellt. Hierbei können entsprechend den 7 und 8 die Ventilatoren 21, 34 fehlen, wenn die Luftströmungen innerhalb des Zwischenraums 3 aufgrund ihrer Erwärmung nach oben und aufgrund ihrer Abkühlung nach unten ausreichen. In diesem Ausführungsbeispiel sind sowohl ein Wärmespeicher insbesondere ein Latentwärmespeicher 29 als auch eine Wärmepumpe mit Verflüssiger/Verdampfer 22, 35 sowie Luftfilter 25, 31 und ein Sonnenkollektor 38 angeordnet. Durch Umschalt-/Mischklappen 23, 24, 26 bis 28, 32, 33 und 36 werden die unterschiedlichen Funktionen und Anwendungen der Systemwand gesteuert, wobei hierzu eine elektronische Steuerung eingesetzt wird, die mit Sensoren die Innen- und Außentemperatur, die Innen- und Außenluftfeuchte misst und/oder nach der Tages- und/oder Jahreszeit die Komponenten insbesondere die Absperrorgane und Ventilatoren 24, 34 steuert.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn integrierte Regelungstechnik in der Wand vorgesehen ist, wobei die Bedienstation direkt (optional) in der Wand sein kann. Dies führt zu reduzierten Schnittstellen und damit zu geringeren Kosten.
Die Integration trägt dem Trend Rechnung, dass die Gebäudetechnik zunehmend nach Innen wandert und damit Fassaden zur Renovierung leichter austauschbar sind.
Es wird das Ziel erreicht, die Technik und Regelungstechnik und gegebenenfalls die Bedientechnik in einer Wand anzuordnen, mit den Vorteilen

– eines minimalen Installationsaufwandes,
– einer maximalen Serienfertigung und
– einer maximalen Energieeffizienz.

Claims

Systemwand (1) als im Wesentlichen raumhohes Fertigbauteil, dadurch gekennzeichnet, – dass ein Zwischenraum (3) vorgesehen ist, der sich über den größten Teil der Höhe der Systemwand (1) erstreckt und zur Außen- und Innenseite jeweils mit einer senkrechten Abdeckung insbesondere einer Verglasung (4) abgedeckt ist, – dass der Zwischenraum (3) zum Durchströmen von Luft mindestens eine Außenluftöffnung (11, 12) zur Atmosphäre und mindestens eine Innenluftöffnung (9, 10) zum Gebäudeinneren aufweist, und – dass in dem den Zwischenraum (3) durchströmenden Luftstrom mindestens ein Wärmespeicher insbesondere ein Latentwärmespeicher (5) und/oder ein Wärmetauscher (8, 7) angeordnet ist.
Systemwand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberseite und an der Unterseite der Außenseite jeweils mindestens eine Außenluftöffnung (11, 12) angeordnet ist.
Systemswand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberseite und an der Unterseite der Innenseite jeweils mindestens eine Innenluftöffnung (9, 10) angeordnet ist.
Systemwand nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Latentwärmespeicher (5) ein Wärmeaustauscher (6, 7) angeschlossen ist, der von der Außen- oder Innenluft durchströmt ist.
Systemwand nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem den Zwischenraum (3) durchströmenden Luftstrom mindestens ein Wärmeaustauscher (6, 7) angeordnet ist, der insbesondere über eine Wärmepumpe mit einem Wärmeaustauscher verbunden ist, der von der Außen- oder Innenluft durchströmt ist.
Systemwand nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Zwischenraum (3) ein die Sonnenstrahlung und/oder die Raumwärmestrahlung verringernde Einrichtung insbesondere eine Jalousie (8) oder ein Rollo angeordnet ist.
Systemwand nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die innenliegenden Sonnenschutzrollos die Sonnenenergie in konvektive Wärme umsetzen und über Auftriebskräfte eine Innenströmung aufwärts unterstützt, wodurch andererseits diese Energie dem Wärmespeicher zugeführt werden kann.
Systemwand nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Glasscheibe (4) eine elektrochrome Beschichtung (15) aufweist.
Systemwand nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Unterstützen des senkrechten Luftstroms mindestens ein Ventilator (21, 34) angeordnet ist.
Systemwand nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenluftöffnung(en) (11, 12) und/oder die Innenluftöffnung(en) (9, 10) ein steuerbares Absperrorgan insbesondere eine Klappe oder ein Ventil aufweisen.
Systemwand nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftstrom im Zwischenraum (3) derart steuerbar ist, dass er entweder von einer unteren Außenluftöffnung (12) über den inneren Zwischenraum (3) und insbesondere über einen die Außenluft erwärmenden unteren Wärmeaustauscher (6) oder Latentwärmespeicher nach oben zu einer oberen Innenluftöffnung (9) strömt.
Systemwand nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftstrom im Zwischenraum (3) derart steuerbar ist, dass von einer oberen Außenluftöffnung (11) über den inneren Zwischenraum und insbesondere einem die Außenluft kühlenden oberen Wärmeaustauscher (7) oder Latentwärmespeicher nach unten zu einer unteren Innenluftöffnung (10) strömt.
Systemwand nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaustauscher (6, 7) mit einem Latentwärmespeicher (5) verbunden ist.
Systemwand nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an oder in der Nähe der Außenseite mindestens ein Sonnenkollektor (13) angeordnet ist, dessen empfangene Sonnenstrahlungsenergie über einen Leitungskreislauf (14) an einem Wärmetauscher (6, 7) und/oder einem Latentwärmespeicher (5) abgebbar ist.
Systemwand nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an oder in der Nähe der Außenseite mindestens ein Solarmodul angeordnet ist, durch dessen elektrischen Strom die elektrischen Komponenten betrieben werden.
Systemwand nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Steuerung vorgesehen ist, durch die nach der Innen- und Außentemperatur, nach der Innen- und Außenluftfeuchte und/oder nach der Tage- und/oder Jahreszeit die Komponenten insbesondere die Absperrorgane und/oder der/die Lüfter steuerbar sind.
Systemwand nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erforderliche elektronische Logik als Reglungstechnik innerhalb der Systemwand untergebracht ist.
Systemwand nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bedienstation für Klima und Luft an der Innenseite der Systemwand angebracht ist.