DE19716288A1 - Heat storage in exterior and interior building walls - Google Patents

Abstract

A method of heat storage in exterior and interior wall faces employs latent storage materials to increase the heat storage capacity of the faces and to limit the heat passage of exterior wall faces such that the melting temperature matches the reference temperature, the heat of fusion is made independent of the weight factor in a load-dependent manner and the space reaction is made thermally independent of the controlling functions of abrupt response (transition function) or pulse response (weight function) of the exterior and interior temperatures and the radiation effects.

Description

Gegenstand der Neuerung ist ein Verfahren zur Speicherung von Wärme in Außen- und Innenwandflächen mittels Latentspeichermassen, die
The subject of the innovation is a method for storing heat in outer and inner wall surfaces by means of latent storage masses

• - die Wärmekapazität der Flächen erhöhen,- increase the heat capacity of the surfaces,
• - bei Außenwandflächen den Wärmdurchgang begrenzen, indem- limit the heat transfer for external wall surfaces by
• - die Schmelzwärme den Gewichtsfaktor belastungsabhängig entkoppelt und- The heat of fusion decouples the weight factor depending on the load and
• - 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.- the room reaction from the control functions step response (About gangsfunktion) or impulse response (weight function) from the external and Internal temperatures and the influence of radiation become thermally independent. The phase shift takes place bilaterally.

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.During construction, the stationary heat transfer, regulated by the VDI 2078 endeavors to provide thermal insulation regulations, limited by insulation, Cooling load rules, through a temperature factor the radiation exchange arithmetically to linearize and store capacity of the building roughly by means of action and re Action sizes, using a reference temperature of 22 ° C as dynamic Space loads and room reactions to be represented numerically. Building dimensions and their storage capacity is estimated by specific parameters without being exact to be able to detect their amplitude attenuation.

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.Investigations have shown that modern full heat protection houses of the types around the turn of the century because of the heat recovery at winter temperatures  are equal. However, summer heat insulation is included in the annual balance fully insulated buildings are included due to their small storage mass summer outside temperatures are no longer thermally decoupled. The construction of Buildings with homogeneous large storage masses and large space requirements because of the costs and for structural reasons no longer in a modern design possible.

Gegenstand der Neuerung ist, Latentspeicherkammern innerhalb von Außen- oder Innenwänden so anzuordnen, daß
The subject of the innovation is to arrange latent storage chambers within outer or inner walls so that

• - die Schmelzwärme des Latentspeichers genutzt wird, um- The heat of fusion of the latent storage is used to
• - thermische Raumbelastungen über den Tagestemperaturverlauf weitgehendst auszugleichen, um- thermal loads to a large extent over the course of the daytime temperature balance to
• - bei nächtlichen Temperaturen die Lasten wieder abzuführen.- remove the loads again at night temperatures.
• - Konzepte für Gebäude, die ein Wärmeproduzent sind, realiert werden können.- Concepts for buildings that produce heat can be realized.

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.
A number of substances are available as storage substances, which determine the mechanical load-bearing capacity of the latent storage body due to the change in density. Paraffin was chosen for further considerations, the melting point of which can be set from 21 to 54 ° C. and remains plastic.

Spezifische Wärmekapazität beträgt bei:
The specific heat capacity is:

Baustoffen 0,80 kj/kgK
Wasser 4,18 kj/kgK
Paraffinöl 2,13 kj/kgK,
Building materials 0.80 kj / kgK
Water 4.18 kj / kgK
Paraffin oil 2.13 kj / kgK,

die Schmelztemperatur beträgt bei:
the melting temperature is:

Wasser 0°C
Paraffinöl z. B. 22°C
KF.4 H²O 18,5°C
Water 0 ° C
Paraffin oil e.g. B. 22 ° C
KF.4 H ² O 18.5 ° C

die Schmelzwärme beträgt bei:
the heat of fusion is at:

Wasser 333 kJ/kg (93 W/kg)
Paraffinöl 201 kJ/kg (56 W/kg)
KF.4 H²O 336 kj/kg (93 W/kg).Water 333 kJ / kg (93 W / kg)
Paraffin oil 201 kJ / kg (56 W / kg)
KF.4 H ² O 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. The highly simplified calculation example is only intended to estimate a construct serve size of the latent storage; more accurate calculations about buildings simulations show similar results. The Set the latent storage size.  

Die Transmissionswärmemenge durch eine Wand beträgt beispielweise bei Sonnenbetrieb über 24 Stunden bei einer Temperaturspanne von 10 K:
The amount of transmission heat through a wall is, for example, when the sun is on for 24 hours at a temperature range of 10 K:

Qt = k.dT.h = 1.10.24 = 240 W bei 300 kg/m².Qt = k.dT.h = 1.10.24 = 240 W at 300 kg / m ² .

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:
The radiant heat is approx. 250 W in 8 hours at a sun air temperature of 54 ° C. The latent storage wall has to absorb the following amount of heat in its latent storage:

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.Transmission heat: 240 W / m ² in 24 h at 300 kg / m ²
Radiant heat / heat of fusion: 260 W / m ² in 24 h in 5 kg / m ²
Storage heat wall + storage: 500 W / m ² in 24 h corresponds to 625 kg / m ² .

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.The storage behavior of the wall with latent storage therefore corresponds to summer temperatures of a wall twice the wall thickness. The prerequisite tongues for a wall structure towards SO, S, SW and W are for summer heat protection realizable.

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.Technologies for tomorrow's buildings have the goal of windows and ver optimize glazing and through transparent thermal insulation from the outside walls to use passive solar energy in winter, but without one To be able to offer comfort in summer. Complex technical systems versu to represent accumulated energy systems around the year optimize the energy requirements of a residential building and to represent the heat requirements to cover cash costs. Due to insufficient air change in the joint ventilation and Controlled ventilation will be included in the building in future Heat recovery required.

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. Farm buildings are subject to different criteria. The investor is not ready to be expensive to install mechanical systems also because of the consequential costs, although the Employee performance in this type of building (as heat producer) is reduced and in the future the workforce will increase are exposed to demands. The work performance is reduced and the errors quote rises unacceptably without summer thermal protection.  

Wird vorausgesetzt, daß vernünftige Tageslichtberechnungen die Fensterflächen minimieren, ist das vorgestellte System bei vertretbaren Kosten in der Lage,
If it is assumed that sensible daylight calculations minimize the window areas, the system presented is able to

• - auch ohne Kühleinrichtungen auszukommen, oder- also get along without cooling devices, or
• - zumindest eine Klima- bzw. Lüftungsanlage auf die Außenluftaufbereitung zu reduzieren.- At least one air conditioning or ventilation system for outdoor air conditioning to reduce.

KonstruktionsmerkmaleDesign features

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.Individual chambers or surfaces with latent storage masses are built into a wall, preferably introduced with a metallic shell. Due to the location, the selection of the The latent storage medium and the shape allow the heat flows to be finite elements optimize. Installation can be on site or prefabricated in individual components or in Large areas take place and require no additional skills. Latent Storage bodies in concrete masses can also be used for heavily loaded parts Absorption of the setting heat or for the uniform heating of concrete cones Use structures for components exposed to high levels of radiation.

KonstruktionsbeispielConstruction example

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.In a Poroton wall part of 40 cm thick, 25 cm wide and 25 cm high, a metal cylinder with paraffin as latent storage with <50 mm, <100 mm at a height of approx. 20 cm is inserted in the center in prefabricated chambers in the brick (test setup with holes) . The storage mass is <10 kg / m ² <50 kg / m ² . There is scope for adaptation to the requirements due to specific internal burdens of the user. Coverage of the storage mass by wall surfaces is manageable even when using combustible latent storage mass (e.g. paraffin: evaporation temperature 300 ° C). Larger units can also be used in prefabricated walls and prefabricated concrete parts.

Zeichnungdrawing

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung zeigt:To further explain the invention:

Fig. 1 eine Darstellung Latentspeicherkörper in Wandfläche, Fig. 1 is an illustration latent storage body wall surface,

Fig. 2 eine Darstellung Temperatur/Wärme nach Extremmethode-Entwicklung Energiekennzahl, Fig. 2 is a diagram temperature / heat after extreme method development energy index,

Fig. 3 eine Entwicklung der Energiekennzahl; RTL Anlagenbürogebäude (Quelle LTG). Fig. 3 is a development of the energy index; RTL plant office building (source 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.1. Method of storing heat in exterior and interior wall surfaces with the purpose of using latent storage masses to store the heat to increase and limit the heat transfer in such a way that the melting temperature is adapted to the reference temperature, the heat of fusion the weight factor depending on the load and the room reactions from the control Technical functions step response (transition function) or impulse response (Weight function) of the outside and inside temperatures and the radiation influence thermally decoupled. 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.2. The design feature is the arrangement of latent storage chambers inside half of outer or inner walls, which contain the heat of fusion of the latent storage uses to also contribute to thermal room loads over the course of the daily temperature largely compensate for summer temperatures with radiation loads and internal heat loads to absorb the peak loads and at night temperatures to dissipate these loads again. 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.3. Design feature is in a wall with individual chambers or surfaces Latent storage materials with a preferably metallic shell. Because of the location Selection of the latent storage medium and the shape can be considered the heat flows Optimize finite elements. Installation can be on site or prefabricated in single components or in large areas and does not require any special knowledge. 4. Die Kombination oder Mischung verschiedener Schmelzpunkte des Latent­ speichers zu Festlegung verschiedener Bezugstemperaturen, wie z. B. Sommer und Winter.4. The combination or mixture of different melting points of the latent memory to determine different reference temperatures, such as. B. summer and 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. 5. Use as a curtain wall part (e.g. parapet element) Absorption of the radiant heat and rising convection heat of the window and Facade surfaces, also ventilated. The facade surface is of the radiator type comparable surfaces.   6. Die Anwendung als Jalousie- bzw. Rolladenelement mit integriertem Latent­ speicherkörper, angewandt als Sonnenschutz und Temperaturpuffer für Tag-Nacht- Betrieb.6. Use as a blind or roller shutter element with integrated latent storage body, used as sun protection and temperature buffer for day-night Business. 7. Konstruktionsmerkmal ist in Rahmenkonstruktionen von Fenster- oder Fassa­ denflächen eingesetzter Latentspeicher zur thermischen Entlastung, welche die thermischen Lasten z. B. von Absorptionsgläsern vermindern.7. Design feature is in frame constructions of window or facade the areas of latent storage used for thermal relief, which the thermal loads z. B. reduce absorption glasses. 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.8. The use of latent storage bodies in concrete masses which are high loaded parts for absorbing the setting heat or for even heating serve concrete structures with components that are exposed to high levels of radiation, or also fire-stressed components, such as B. steel and reinforced concrete columns, a longer one Allow service life or a limitation of the linear expansion.