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Dokumentenidentifikation DE102006026882A1 03.01.2008
Titel Gebäudekühlsystem mit Nutzung von Umweltwärmesenken unter Verwendung von Modulen aus Kunststoff-Kapillarrohrmatten und Verfahren zu seiner Anwendung
Anmelder Clina Heiz- und Kühlelemente GmbH, 13435 Berlin, DE
Erfinder Chahed, Bechir, 10997 Berlin, DE
Vertreter Schwabe, Sandmair, Marx, 81677 München
DE-Anmeldedatum 09.06.2006
DE-Aktenzeichen 102006026882
Offenlegungstag 03.01.2008
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.01.2008
IPC-Hauptklasse F24F 5/00(2006.01)A, F, I, 20060609, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Gebäudekühlsystem, bestehend aus Kapillarrohrmattenmodulen, an die in Räumen oder in Gebäudeumfassungen Wärme übertragen wird, einem korrosionsfesten Wärmeträgertransportsystem sowie einer naturgegebenen Umweltenergiesenke, die die zugeführte Wärme dauerhaft aufnimmt.
Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum wirtschaftlichen Betreiben des Gebäudekühlsystems. Derartige Lösungen dienen zur umweltschonenden Kühlung von Gebäuden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Gebäudekühlsystem, bestehend aus Kapillarrohrmattenmodulen, an die in Räumen oder in Gebäudeumfassungen Wärme übertragen wird, einem korrosionsfesten Wärmeträgertransportsystem sowie einer naturgegebenen Umweltenergiesenke, die die zugeführte Wärme dauerhaft aufnimmt. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum wirtschaftlichen Betreiben des Gebäudekühlsystems. Derartige Lösungen dienen zur umweltschonenden Kühlung von Gebäuden.

Die Kühlung von Räumen erfolgt in der Regel mittels Kaltwassersystemen, die bei angeschlossenen Luftkühlern mit beispielsweise 6°C Vorlauftemperatur betrieben werden. Die Bereitstellung der niedrigen Kaltwasser-Vorlauftemperatur wird von Kältemaschinen übernommen, die die Abwärme den natürlichen Wärmesenken, wie beispielsweise der atmosphärischen Luft und/oder in geringerem Umfang dem Grundwasser, in der Regel bei einer hohen Temperatur z. B. bei 40 bis 50°C übergeben. Dieser große, von der Kältemaschine überwundene Temperaturhub erfordert sehr hohe Exergieaufwendungen, die den Einsatz von Edelenergie – vorzugsweise von Elektroenergie – für den Betrieb der Kältemaschinen erfordern. In den Räumen kommen dann üblicherweise Kompaktwärmeübertrager Wasser/Luft zum Einsatz, die meistens aus Metall bestehen, wobei Aluminium und Kupfer üblich sind, da sich diese durch hohe Wärmeleitfähigkeiten auszeichnen. Diese Materialien sind teuer, der Verarbeitungsaufwand ist hoch und bei den meisten Einsatzgebieten – vor allem bei Kondensatbildung – kommt es häufig zur Korrosion. Aus diesem Grund ist bisher keine direkte Beaufschlagung der Wärmeübertragerflächen im Raum ohne hydraulische Trennung von der natürlichen Wärmesenke z. B. mit Meerwasser und/oder mit Grundwasser aus Uferfiltrat möglich.

Um den erstgenannten Nachteil zu vermeiden, wurde erkannt, dass sich die exergetischen Aufwendungen für die Kältemaschinen mindern lassen, wenn Kühldecken zum Einsatz kommen. Die Wärmeträger-Eintrittstemperaturen betragen in der Regel 14 bis 15°C. Eine weitere Verbesserung bietet die sogenannte thermische Bauteilaktivierung, die beispielsweise mit der Wärmeträger-Eintrittstemperatur von 16 bis 17°C arbeitet. Die über den Tag gemittelte, spezifische Kühlleistung beträgt bei dieser Variante aber nur etwa 25 bis 30 W/m2, wobei aufgrund der Wärmespeicherung im Massivbauteil die reale Leistung eine Zeitfunktion darstellt, die nicht regelbar ist.

Um den zweitgenannten Nachteil zu vermeiden, wurde erkannt, dass sich der Einsatz von Kunststoff-Kapillarrohrmatten sehr gut als korrosionsfeste, absolut umweltverträgliche und preisgünstige Wärmeübertragerfläche eignet. Sie finden vielfältigen Einsatz in Kühldecken und Kühlsegeln. Die Wärmeübertragung erfolgt durch Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung. Es wird durch diese Konstruktionen zwar eine Raumkühlung bewirkt, eine intensive Luftkühlung kann und soll damit jedoch nicht erreicht werden. Eine Luftentfeuchtung ist ausgeschlossen.

Für den speziellen Einsatzfall der konvektiven Luftkühlung und -entfeuchtung ist bekannt (DE 198 06 207 C2), dass Kapillarrohrmatten in einem Schacht, vorwiegend eben, angeordnet werden, wobei der Luftdurchfluss zwischen zwei Öffnungen mit Vertikalabstand aufgrund der Dichteunterschiede der Luft im Schacht und im Raum entsteht. Der Wärmeübertrager arbeitet nur bei entsprechend großer vertikaler Schachthöhe, der Luftstrom ist relativ klein und die Leistung somit begrenzt.

Weiter ist bekannt (DE 198 31 918 C2), dass bei ähnlichem Aufbau wie vorher (zu DE 198 06 207 C2) beschrieben, die obere Schachtöffnung mit der Außenluft verbunden ist und somit die Luftqualität im Raum durch temperierte Außenluftzufuhr verbessert wird.

Bekannt ist weiterhin eine Kunststoff-Kapillarrohrmatte zur Kühlung und Heizung von Räumen und/oder Wasserbädern (DE 197 51 883 C2), die unter anderem auch eine spiralförmig aufgewickelte Kunststoff-Kapillarrohrmatte beinhaltet. Kennzeichnend für diese Konstruktion ist eine zwischen den Kapillarrohrmatten angeordnete Folie mit Vorsprüngen (Erhebungen), wodurch Kanäle gebildet werden. Während der Wärmeträgerstrom in der Kapillarrohrmatte fließt, wird der Luftstrom quer dazu durch die durch die Folie gebildeten Kanäle geführt. Aus thermodynamischer Sicht ergeben sich für diese gewickelte Lösung mehrere Nachteile. Die Folie deckt teilweise die Kapillarrohre ab, wodurch sich die effektive Wärmeübertragerfläche reduziert und die Führung des Primär- sowie Sekundärstromes stellt eine Kreuz-Gegenstrom-Führung mit geringem Gegenstromanteil dar.

Die vorgenannten Nachteile werden durch die Lösung DPMA 103 13 384.4 (europäische Anmeldenummer 03016203.6), die durch spiralförmig angeordnete Kunststoff-Kapillarrohrmatten mit radialem Luftdurchtritt charakterisiert ist, vermieden. Nachteilig ist jedoch der große Platzbedarf aufgrund der zylindrischen Wärmeübertragergeometrie, sodass der Einsatz für Klimatisierungszwecke in Büro- und Wohnräumen nur eingeschränkt möglich ist.

Ein neuartiges Luftkühl- und Luftentfeuchtungsmodul mit einem Wärmeübertragerelement aus Kunststoff-Kapillarrohrmatten, die zu einem kompakten Paket mit nahezu quaderförmiger äußerer Gestalt geformt sind, wird in der noch nicht veröffentlichten PCT-Anmeldung PCT/EP2005/008209 beschrieben. Es ist für den gewünschten Einsatzfall bedingt geeignet, wobei die Fertigungstechnologie allerdings sehr aufwändig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, nachfolgend beschriebene Zielstellungen für das Gebäudekühlsystem mit Nutzung von Umweltenergiesenken zu erfüllen:

  • – Die Wärmeübertragerelemente zur Raum- und Bauteilkühlung sollen mit den Temperaturen, die die Umweltenergiesenken liefern, ohne Zwischenschaltung von Kältemaschinen arbeiten.
  • – Die Wärmeübertragerelemente müssen baulich kompakt sein, d. h. auf kleinem Raum eine große Wärmeübertragerfläche beinhalten.
  • – Die Konstruktionen der Wärmeübertragerelemente zur Raum- und Bauteilkühlung sollen eine geometrische Form besitzen, die mit einer einfachen Fertigungstechnologie herstellbar und weltweit gut versandfähig ist.
  • – Eine Leistungsregelung aller Wärmeübertragerelemente muss verwirklichbar sein.
  • – Der Einsatz von korrosions- und inkrustationsfreiem Material für die Wärmeübertragerfläche stellt eine Grundbedingung dar.
  • – Die Konstruktion des Moduls und speziell des Wärmeübertragerelementes muss eine gute Wartung und auch den leichten Austausch des Wärmeübertragerelementes zulassen.
  • – Das Wärmeübertragerelement zur Luftkühlung muss eine thermodynamisch günstige Stromführung realisieren und die Leistung durch Aufprägen eines zwangsweisen Luftstromes steigerbar und regelbar sein.
  • – Die Rohr- und/oder Kanalverbindungen zwischen den Wärmeübertragerelementen zur Raum- und Bauteilkühlung sowie den Umweltenergiesenken müssen korrosionsfest sein und auch die Beaufschlagung mit Salzwasser erlauben.
  • – Bezüglich der Umweltenergiesenken sind die üblichen Gegebenheiten und besonders auch Meerwasser und uferfiltriertes Grundwasser in Küstennähe zu berücksichtigen.
  • – Der Betriebsverbund zwischen unterschiedlichen Wärmeübertragerelementen zur Raum- und Bauteilkühlung sowie zwischen verschiedenartigen Umweltenergiesenken muss realisierbar sein.
  • – Vorteilhaft waren auch Möglichkeiten, die die zeitlichen Unterschiede zwischen Raumkühlbedarf und der Lieferfähigkeit der Umweltenergiesenken ausgleichen.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 12 gelöst. Der Einsatz von korrosionsfesten und inkrustationsfreien Kunststoff-Kapillarrohr-matten zu kompaktgeformten Kapillarrohrmattenmodulen, die aufgrund der großen Oberfläche und der direkten Beaufschlagung mit dem Wärmeträger – in der Regel Wasser – aus einer natürlichen Umweltenergiesenke – wobei im Volllastfall die minimale, unter der Raumtemperatur liegende Senkentemperatur an den Kapillarrohrmattenmodulen verfügbar ist – ermöglicht eine wirkungsvolle Wärmeabfuhr aus dem Raum ohne Energieaufwand für eine Kältebereitstellung. Es wird lediglich Energie für den Transport des Wärmeträgers innerhalb des Systems benötigt. Dies sind beispielsweise nur 1% der Kühlleistung. Die Ausführung des Rohrleitungssystems in korrosionsfestem Material – vorzugsweise in Kunststoff – ermöglicht auch den Einsatz von Meerwasser zur direkten Raumkühlung. Diese Tatsache erschließt ein außerordentlich großes Nutzungspotenzial für alle zu kühlenden Gebäude in Küstennähe.

Vorteilhaft für den universellen Einsatz sind kompakte Kapillarrohrmattenmodule in Rollenform, da diese mittels relativ einfacher Technologie herstellbar und gut versandfähig sind. Zudem kann deren Leistung durch eine zwangsweise Luftdurchströmung, die vorzugsweise vom Rolleninneren radial nach außen erfolgt, und der damit verbundenen Erhöhung des luftseitigen Wärmeübergangskoeffizienten in einem großen Bereich gesteigert werden. Die beschriebene Luftdurchströmung stellt die thermodynamisch günstigste Strömungsform – den idealen Gegenstrom – sicher.

Die Leistungsregelung der kompakten Kapillarrohrmattenmodule ist in einfacher Weise durch eine Veränderung des Luftstromes durch das Modul möglich. Ferner kann die Leistung auch durch Veränderung des Wärmeträgerdurchsatzes (Drosselregelung) bewirkt werden.

Vorteilhaft ist auch, dass das System den Austausch von Umweltenergiesenken gestattet. So können anstelle von Meerwasser auch über Brunnen gewonnenes Grundwasser, das Süßwasser aber auch salzhaltiges Uferfiltrat sein kann, Verwendung finden. Des Weiteren sind auch Außenluftkühler – vorzugsweise Hybridkühler aus Kunststoff-Kapillarrohrmatten mit Wasserbenetzung – einsetzbar, sodass eine überall verfügbare Umweltenergiesenke nutzbar ist.

Der Einbau von Kunststoff-Kapillarrohrmatten in Kapillarrohrmattenmodulen mit flächenförmiger Gestalt eröffnet vorteilhafte Kombinationsmöglichkeiten mit kompakten Kapillarrohrmattenmodulen zur Raum- und/oder Gebäudekühlung. Bei Anordnung im Raum ergeben sich wärmephysiologische Vorteile für die Raumnutzer, da zusätzlich eine Strahlungskühlung erfolgt. Bei Anordnung in Außenbauteilen – Fassade und/oder Dach – wird der ins Gebäude eingetragene Wärmestrom infolge Besonnung und/oder hohe Außentemperaturen zu einem großen Teil von den Kapillarrohrmattenmodulen kompensiert ohne die angrenzenden Räume zu erreichen und thermisch zu belasten. Diese Einbauvariante besitzt zudem den großen energetischen Vorteil, dass das Temperaturniveau um das Kapillarrohrmattenmodul sehr hoch ist, wodurch der verfügbare Wärmeträger eine besonders große Kühlleistung erbringt. Die Einbettung des Kapillarrohrmattenmoduls im Dämmstoff ermöglicht wärmetechnische Optimierungen durch die Wahl der beidseitigen Dämmstoffdicken.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der flächenförmigen, in der Gebäudeaußenhaut installierten Kapillarrohrmattenmodule wird durch den Einsatz in transparenten Umfassungen erreicht.

Kann der Kühlbedarf der Ergiebigkeit der Umweltenergiesenke nicht angepasst werden, lässt die Systemgestaltung das Zwischenschalten eines Speichers zu. Dieser kann als Speicher, der den Wärmeträger bei Senkentemperatur bevorratet, oder als Wärmespeicher, der mit sensiblem und/oder latentem Speichermaterial gefüllt ist und vom Wärmeträger im Haupt- oder Nebenschluss durchströmt wird, ausgebildet sein.

Grundsätzlich sieht die Erfindung eine Parallelschaltung der Kapillarrohrmattenmodule vor. Dennoch ist mitunter eine Reihenschaltung zu bevorzugen. So sind beispielsweise flächenförmige Kapillarrohrmattenmodule im Raum den kompakten Kapillarrohrmattenmodulen zur Luftkühlung vorteilhaft nachzuschalten, um eine Kondenswasserbildung an den erstgenannten Flächen ohne Installation von zusätzlichen Vorrichtungen zur Leistungsregelung zu vermeiden. Weiterhin bietet die Reihenschaltung von Kapillarrohrmattenmodulen in Räumen und von Kapillarrohrmattenmodulen in den Außenbauteilen den Vorteil der besseren energetischen Ausnutzung des verfügbaren Wärmeträgers. Um dies konstruktiv rationell zu bewirken, ist es vielfach sinnvoll, eine Sammelleitung zwischen den Rückläufen aus den Kapillarrohrmattenmodulen in den Räumen und den abgehenden Vorlaufleitungen an die Kapillarrohrmattenmodule in der Gebäudeumfassung anzuordnen.

Einen besonderen Vorteil bietet die Verfügbarkeit von Umweltenergiesenken mit Temperaturen, die unter der Taupunkttemperatur der Luft in den zu kühlenden Räumen liegt, da dann die kompakten Kapillarrohrmattenmodule zur Raumluftkühlung und – entfeuchtung nutzbar sind, wobei dann auch zwei getrennte Regelkreise mit Vorgabe der Raumsolltemperatur und der Raumsollfeuchte auf ausgewählte Kapillarrohrmattenmodule arbeiten.

Außer der individuellen Leistungsregelung der Kapillarrohrmattenmodule ist es vorteilhaft, die in den Bauteilen installierten Module aufgrund der intensiv wirkenden, instationären Wärmespeichervorgänge nach Zeitsteuerregimen zu betreiben. Diese können durch Einsatz von selbstlernenden Reglern, die vorzugsweise auf der Grundlage von neuronalen Netzen arbeiten, weitergebildet werden.

Das erfindungsgemäße Gebaudekühlsystem, das keine Energie zur Kältebereitstellung benötigt, kann dahingehend weiter verbessert werden, dass die Förderenergie für den Wärmeträgertransport vermindert wird. So ist es vorteilhaft, wenn bei geodätischen Systemdruckunterschieden, die kleiner als der Luftdruck sind, die Ausbildung der Vor- und Rücklaufleitung im Bereich der Umweltenergiesenke so erfolgt, das ein geschlossener Wärmeträgerkreislauf entsteht. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn beide Rohrleitungen unterhalb der Wasseroberfläche enden. Die erforderliche Förderenergie beschränkt sich dann lediglich auf die Kompensation der hydraulischen Druckverluste. Bei größeren Gebäudehöhen und niedrigen Temperaturen der Umweltenergiesenken ist für die höher gelegenen Gebäudeabschnitte eine hydraulische Systemtrennung wirtschaftlich. Ansonsten ist bei Einsatz von Gebäudekühlsystemen ohne hydraulische Trennung und großer geodätischer Förderhöhe der Einsatz von bekannten Kleinstwasserturbinen nur Rückgewinnung eines Großteils der geodätischen Förderenergie sinnvoll.

Um auch den Betrieb des erfindungsgemäßen Gebäudekühlsystems ohne Fremdenergie durchzuführen, ist in sonnenreichen Ländern die Photovoltaik zu nutzen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt:

1 Vertikalschnitt durch ein Gebäude mit allgemeiner Gestaltungsmöglichkeit eines Gebäudekühlsystems mit mehreren, parallel geschalteten Kapillarrohrmattenmodulen unterschiedlicher Bauart und Sinnbilddarstellung für die Nutzung von drei verschiedenen Umweltwärmesenken

2 Einbau- und Nutzungsvarianten von vertikalen und horizontalen Kapillarrohrmattenmodulen in Rollenform zur Raumluftkühlung und zur speziellen Temperaturabsenkung von inneren Fensteroberflächen durch herabfallende Kaltluft (Darstellung im Vertikalschnitt und Grundriss ohne und mit einer raumseitigen, transparenten Vorsatzscheibe vor dem Fenster)

3 Zusammenwirken eines Kapillarrohrmattenmoduls in Rollenform zur konvektiven Raumluftkühlung und eines flächenförmigen, in einer untergehängten Decke integrierten Kapillarrohrmattenmoduls (Kühldecke) zur Raumkühlung durch Konvektion und Strahlung (Darstellung im Vertikalschnitt und Grundriss)

4 Schaltungsmöglichkeit von in Räumen angeordneten Kapillarrohrmattenmodulen mit Zusammenfassung der Wärmeträger-Rückläufe in einer Sammelleitung und der nachgeschalteten Beaufschlagung eines im Dach eingeformten, flächenförmigen Kapillarrohrmattenmoduls

Ausführungsbeispiel 1:

1 zeigt eine prinzipielle Gestaltungsmöglichkeit für ein Gebäudekühlsystem. Kapillarrohrmattenmodule 1, 2, 3 unterschiedlicher Bauart sind installiert. Im Einzelnen handelt es sich um ein Kapillarrohrmattenmodul 1 in Rollenform, das in vertikaler Anordnung rein konvektiv die Raumluft abkühlt. Eine Abwandlung davon ist als Kapillarrohrmattenmodul 1a in Paketform horizontal über einer abgehangenen Decke 1b angeordnet. Die warme Raumluft wird konvektiv abgekühlt und die austretende, kalte Luft fällt nach dem Überstreichen der Decke 1b beispielsweise über Schattenfugen und/oder durch Perforationen in den Raum. Die Kühlung der untergehangenen Decke 1b bewirkt eine Senkung der raumseitigen Oberflächentemperatur, wodurch sich die Strahlungstemperatur im Raum reduziert, was das thermische Raumklima für den Nutzer verbessert. Der Einsatz des flächenförmigen Kapillarrohrmattenmoduls 2 an oder oberflächennah in der Decke führt zu einer kombinierten Wärmeaufnahme durch Konvektion und Strahlung, wobei in der Regel der Strahlungsanteil mit ca. 60 % überwiegt und sich dadurch das wärmephysiologische Empfinden der Raumnutzer weiter verbessert. Schließlich zeigt Kapillarrohrmattenmodul 3, das sich in einem Außenbauteil des Gebäudes – hier in der Fassade – befindet, die Möglichkeit der Wärmeaufnahme allein durch Wärmeleitung. Die Besonnung der Außenwand und/oder der Wärmeeintrag durch Transmission bewirkt eine hohe Wandtemperatur, die über der zulässigen Raumtemperatur liegt. Somit bewirkt auch eine Wärmeträger-Eintrittstemperatur, die beispielsweise über der zulässigen Raumtemperatur liegt, noch eine intensive Wärmeabfuhr über das Kapillarrohrmattenmodul aus der Fassade, wodurch sich der Wärmestrom in den Raum drastisch reduziert und die Raumnutzer thermisch weniger belastet. Die Versorgung der beispielhaft vorgestellten Kapillarrohrmattenmodule 1, 1a, 2, 3 kann mit raumnahen Wärmeträger-Vorlauftemperaturen erfolgen, bei Einsatz von Kapillarrohrmattenmodul 3 sind sogar Vorlauftemperaturen über der Raumtemperatur wirkungsvoll einsetzbar. Somit sind generell Umweltenergiesenken mit relativ hohen Temperaturen nutzbar. Geeignet sind beispielsweise die in 1 dargestellten Varianten Grundwasser, das über einen Förderbrunnen 6 erschlossen wird, sowie Meerwasser 8, das vorzugsweise aus Tiefen > 10 m unter der Wasseroberfläche gefördert wird, und schließlich kann noch die Enthalpie der atmosphärischen Luft 9, vorzugsweise über Kühltürme oder Hybridkühler 10 genutzt werden. Die Wärmeübertragerfläche bei den im geschlossenen Wärmeträger-Kreislauf betriebenen Hybridkühlern 10 besteht aus gewickelten Kunststoff-Kapillarrohrmatten, die um den Verdunstungseffekt zu nutzen, mit Wasser besprüht werden. Die Verbindung der gebäudeseitig installierten Kapillarrohrmattenmodule 1, 1a, 2, 3 mit den Umweltenergiesenken 6, 8, 9 und mit einem evtl. Schluckbrunnen 7, der das entnommene Grundwasser an entfernter Stelle zurückführt, erfolgt durch ein korrosionsfestes Rohrleitungssystem 4, das vorzugsweise wie die Kapillarrohrmattenmodule aus Kunststoff besteht. Im Ausführungsbeispiel ist keine hydraulische Trennung enthalten, sodass keine Grädigkeiten durch Wärmeübertrager entstehen und eine effiziente Nutzung der Umweltenergiesenken 5 erfolgen kann. Im Wärmeträger-Vorlauf sind die Förderpumpe 11 und ein Filter 13 eingebaut, ein Wärme- und/oder Wärmeträger-Speicher 12 befindet sich im Haupt- oder Nebenschluss zum Wärmeträger-Vorlauf 16. Spezielle Vorrichtungen im Rohrleitungssystem 4 zur Druckhaltung, zum temperaturabhängigen Volumenausgleich, zur zeitweiligen Außerbetriebnahme sowie zur Leistungsregelung der Kapillarrohrmattenmodule sind nach bekannten Methoden zu installieren. Hauptmerkmal des in 1 dargestellten Systems ist, dass die natürlichen Wärmesenken die Kompensation der aus dem Gebäude abgeführten Wärme vollkommen übernimmt.

Ausführungsbeispiel 2:

2 verdeutlicht zwei Möglichkeiten zum Einbau von Kapillarrohrmattenmodulen in Rollenform 23, 26. Sie nehmen rein konvektiv die Wärme von der Raumluft 24, die sich im oberen Raumbereich ansammelt, auf. Aus dem Kapillarrohrmattenmodul 26 tritt die kalte Luft 25 in Form von Quellluft in den Raum. Das Kapillarrohrmattenmodul 23 schirmt durch herabfallende Kaltluft 25 den negativen Einfluss der warmen Fensteroberfläche 15 auf den Raum wirksam ab. Die in 2 weiterhin dargestellte Spezialvariante mit einer Vorsatzscheibe 27 vor dem Fenster 15 führt zu energetischen und wärmephysiologischen Verbesserungen. Durch die Anordnung der transparenten Vorsatzscheibe 27, die einen Luftraum zur Fensteroberfläche abgrenzt, entsteht infolge Schachtwirkung ein intensiv aufsteigender Warmluftstrom 28 mit hoher Eintrittstemperatur in das Kapillarrohrmattenmodul 23, sodass dessen Leistung gesteigert wird. Zudem kühlt der herabfallende Kaltluftstrom 25 die Vorsatzscheibe, wodurch die wärmephysiologische Behaglichkeit im Raum verbessert wird.

Ausführungsbeispiel 3:

3 zeigt eine Kombination von konvektiver Luftkühlung durch ein horizontal angeordnetes, rollenförmiges Kapillarrohrmattenmodul 23 und ein flächenförmiges Kapillarrohrmattenmodul 30, das im Zusammenwirken mit einer untergehängten Decke die Wärmeaufnahme aus dem Raum vorwiegend durch Strahlungsaustausch bewirkt. Die Leistung der Kühldecke 30 wird dadurch erhöht, dass die aus dem Kapillarrohrmattenmodul 23 austretende Kaltluft 25 über die Decke fließt und durch die Deckenperforation und über Schattenfugen als leicht erwärmter Luftstrom 29 in den Raum gelangt. Dabei ist es sinnvoll, den Luftstrom an der Außenfassade und speziell am Fenster 15 zu verstärken. Zur sicheren Vermeidung von Kondensation an der Decke kann das Kapillarrohrmattenmodul 30 dem Kapillarrohrmattenmodul 23 wärmeträgerseitig nachgeschaltet sein.

Ausführungsbeispiel 4:

In 4 wird eine besondere Möglichkeit der hydraulischen Verschaltung der thermisch unterschiedlich belasteten Kapillarrohrmattenmodule gezeigt. Die Kapillarrohrmattenmodule zur rein konvektiven Luftkühlung 1 und zur kombinierten Wärmeabfuhr durch Strahlung und Konvektion 2, werden mit dem Wärmeträger-Vorlauf 16 aus der Umweltenergiesenke 5 beaufschlagt. Der Wärmeträger-Rücklauf aus diesen Komponenten wird in der zusätzlichen Schiene 18 gesammelt, wodurch eine mittlere Systemtemperatur entsteht. Die Wärmeträger-Sammelleitung 18 fungiert dann als Vorlauf für das Kapillarrohrmattenmodul 3. Die hohe Dachtemperatur bei Besonnung, beispielsweise von 70°C, würde ohne Einbau des Kapillarrohrmattenmoduls 3 einen sehr großen Wärmestrom in den Obergeschossraum, der beispielsweise die Raumtemperatur von 25°C aufweist, verursachen. Dadurch bewirkt der Einbau des Kapillarrohrmattenmoduls 3 und der Betrieb dieses Moduls selbst mit einer Wärmeträger-Vorlauftemperatur, die über der Raumtemperatur z. B. bei 30°C liegt, eine sehr wirkungsvolle Reduzierung des Wärmestromes in den Raum. Die Größe des verbleibenden Wärmestromes in den Raum kann durch die Aufteilung der Wärmeleitwiderstände im Außenwandbauteil und die mittlere Wärmeträger-Temperatur wesentlich beeinflusst werden, wobei der äußere Wärmeleitwiderstand zwischen Dachoberfläche und Lage der Mitte des Kapillarrohrmattenmoduls und der innere Wärmeleitwiderstand zwischen der Mitte des Kapillarrohrmattenmoduls und der Deckeninnenfläche jeweils zu bilden ist. Die wärmetechnische Optimierung ergibt, dass eine Anordnung des Kapillarrohrmattenmoduls 3 innerhalb der Dämmschicht 19 vorteilhaft ist, weshalb auch die Bezeichnung thermisch aktive Dämmung verwendet wird. Das Kapillarrohrmattenmodul 3 ist zweckmäßigerweise in die Dämmschicht 22 durch Einschäumen vorzufertigen und als thermo-aktive Dämmung 22 in Plattenform zu verlegen. Durch die gewählte Reihenschaltung und die Besonderheit der Dachausbildung mit dem integrierten Element 22 ist es möglich, eine sehr hohe Wärmeträger-Rücklauftemperatur für das Gebäudekühlsystem im Wärmeträger-Rücklauf 17 zu realisieren. Dadurch wird die Umweltenergiesenke besonders effizient genutzt.

1
Kapillarrohrmattenmodul in Rollen- oder Paketform
1a
Kapillarrohrmattenmodul in Paketform bei horizontaler Anordnung
1b
untergehängte, thermisch passive Decke
2
flächenförmige Kapillarrohrmattenmodule in Raumoberflächen
3
flächenförmige Kapillarrohrmattenmodule in Gebäudeumfassungen
4
Rohrleitungssystem zur Aufnahme des flüssigen Wärmeträgers (Vor- und Rücklauf)
5
Umweltenergiesenke
6
Förderbrunnen
7
Schluckbrunnen
8
Meerwasser
9
Atmosphäre
10
Kühlturm (z. B. Hybridkühlturm)
11
Fördervorrichtung (z. B. korrosionsfeste Pumpe)
12
Speicher
13
Filter
14
Gebäude
15
Fenster
16
Wärmeträger-Vorlauf
17
Wärmeträger-Rücklauf
18
Wärmeträger-Sammelleitung für die Rückläufe aus den Kapillarrohrmattenmodulen im Raum
19
Wärmedämmung im Dach
20
Dachhaut
21
tragende Stahlbetondecke
22
thermo-aktive Dämmung (flächenförmiges Kapillarrohrmattenmodul eingeschäumt im Wärmedämmmaterial) in Plattenform
23
Kapillarrohrmattenmodul als horizontale, luftdurchströmte Rolle
24
angesaugte Raumluft
25
austretende Kaltluft
26
Kapillarrohrmattenmodul als vertikale, luftdurchströmte Rolle
27
transparente Vorsatzscheibe vor dem Fenster
28
aufsteigende Warmluft
29
Kaltluft aus der Decke und dem Deckenhohlraum
30
perforierte Kühldecke mit flächenförmigem Kapillarrohrmattenmodul


Anspruch[de]
Gebäudekühlsystem mit Nutzung von Umweltenergiesenken unter Verwendung von Modulen aus Kunststoff-Kapillarrohrmatten, die aus Verteil- und Sammelrohren mit dazwischen verlaufenden flexiblen Kapillarrohren bestehen,

dadurch gekennzeichnet,

dass die im Gebäude installierten Wärmeübertrager aus spiralförmig gewickelten Kunststoff-Kapillarrohrmatten als vorgefertigte Kapillarrohrmattenmodule (1) in Rollenform mit zylinderähnlicher Geometrie oder in Paketform mit quaderähnlicher Geometrie gebildet werden, die vorzugsweise konvektiv die Wärme aus der Raumluft aufnehmen,

dass die Kapillarrohrmattenmodule von einem flüssigen Wärmeträger, vorzugsweise Wasser, durchflossen werden und die Wärmeträgertemperatur durch die Wärmeaufnahme im Gebäude ansteigt,

dass der Wärmeträgerstrom in einem korrosionsfesten Rohrleitungssystem (4) vorzugsweise ohne hydraulische Systemtrennung in Verbindung mit einer Umweltenergiesenke (5) steht,

dass im Betriebsfall die Umweltenergiesenke (5) über ein natürliches Kältereservoir mit einer niedrigeren Temperatur als die Wärmeträgeraustrittstemperatur aus den im Gebäude (14) angeordneten Kapillarrohrmattenmodulen (1) verfügt, dass die Temperatur des rückfließenden Wärmeträgers in der Umweltenergiesenke (5) durch Wärmeabgabe erniedrigt wird oder dass der Wärmeträger in der Umweltenergiesenke gegen einen mit niedrigerer Temperatur stofflich ausgetauscht wird, und

dass zum Betrieb des Systems lediglich Energieaufwendungen für den Wärmeträgertransport erforderlich werden, wobei geodätisch bedingte Förderaufwendungen vorzugsweise zu vermeiden sind.
Gebäudekühlsystem mit Nutzung von Umweltenergiesenken nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Wärmeaufnahme im Raum der konvektive Wärmeübergangskoeffizient an der Oberfläche der Kapillarrohrmattenmodule (1) gesteigert wird, indem die Raumluft zwangsweise mittels eines Lüfters durch die Kapillarrohrmattenmodule (1) gefördert wird. Gebäudekühlsystem mit Nutzung von Umweltenergiesenken nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarrohrmattenmodule (2) flächenförmig im zu kühlenden Raum oder an dessen Oberflächen so angeordnet sind, dass die Wärmeaufnahme aus dem Raum zu einem großen Teil, in der Regel zu 50 bis 60 %, durch Übertragung von Strahlungswärme erfolgt. Gebäudekühlsystem mit Nutzung von Umweltenergiesenken nach Anspruch 1

dadurch gekennzeichnet,

dass die Kapillarrohrmattenmodule (3) flächenförmig in der Fassade oder im Dach des zu kühlenden Gebäudes (14) so angeordnet sind, dass die Wärmeaufnahme aus den Gebäudeumfassungen durch Wärmeleitung bewirkt wird, wodurch ein wärmephysiologischer Vorteil für die Raumnutzer und ein energetischer Vorteil für die Nutzbarkeit der natürlichen Wärmesenke entsteht,

dass die äußere, vornehmlich durch Besonnung einwirkende Wärmelast vor Eintritt in den Raum durch die Kapillarrohrmattenmodule (3) kompensiert wird und somit eine Absenkung der Strahlungstemperatur sowie der Strahlungstemperatur-Asymmetrie im Raum erfolgt,

dass aufgrund der höheren Temperatur in der Fassade oder im Dach am Ort des eingebauten, flächenförmigen Kapillarrohrmattenmoduls (3) als die aus wärmephysiologischen Gründen zugelassene Raumtemperatur, die Umweltenergiesenke (5) effizienter nutzbar ist, dass in unmittelbarer Nähe der Kapillarrohrmattenmodule (3) die Anordnung von zusätzlichen Materialschichten mit Latentwärmespeicher-Eigenschaften zur Dämpfung der Tageslastspitzen vorgesehen ist, und

dass die Lage des Kapillarrohrmattenmoduls (3) im Bauteil unter Beachten der verwendeten Materialien, wie Massivbaustoffe, Dämmschichten usw., vorzugsweise so festgelegt wird, dass ein Optimum bezüglich der Wärmeabfuhr aus der Fassade oder dem Dach bei der verfügbaren Wärmeträgereintrittstemperatur vorhanden ist.
Gebäudekühlsystem mit Nutzung von Umweltenergiesenken nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass das flächenförmige Kapillarrohrmattenmodul (3) auch in oder zwischen transparenten Fassaden- oder Dachflächen, beispielsweise in Fenstern, angeordnet sein kann. Gebäudekühlsystem mit Nutzung von Umweltenergiesenken nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die verschiedenartigen Kapillarrohrmattenmodule (1; 2; 3), deren gebäudeseitige Wärmeaufnahme vorwiegend durch Konvektion, oder gemischt durch Konvektion und Strahlung oder aber durch Wärmeleitung erfolgt, im Gebäudekühlsystem gemeinsam jedoch mit zeitlich unterschiedlichen Wirkanteilen eingesetzt und/oder betrieben werden. Gebäudekühlsystem mit Nutzung von Umweltenergiesenken nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet,

dass als Umweltenergiesenke Grundwasser dient, das über einen Förderbrunnen (6) und zweckentsprechender Filterung (13) in das Gebäudekühlsystem eingespeist wird, und

dass vorzugsweise zur Aufrechterhaltung des Grundwasserspiegels die Rückführung des erwärmten Wassers über einen, in Abhängigkeit der Grundwasserströmung entsprechenden Abstand angeordneten Schluckbrunnen (7) erfolgt.
Gebäudekühlsystem mit Nutzung von Umweltenergiesenken nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass als Umweltenergiesenke (5) bei Gebäuden in Küstennähe Meerwasser (8) Verwendung findet, wobei die Entnahmetiefe entsprechend den thermischen Systemerfordernissen zu wählen ist, und die Reinigung des Meerwassers mittels Filterung (13) und Absatzbecken oder Entschlämmungseinrichtungen erfolgt. Gebäudekühlsystem mit Nutzung von Umweltenergiesenken nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass als Umweltenergiesenke (5) die Enthalpie der Luft in der freien Atmosphäre (9) genutzt wird, indem vorzugsweise ein geschlossener Kühlturm (10) mit spiralförmig gewickelten Kunststoff-Kapillarrohrmatten und zwangsgeführtem, radialem Luftdurchtritt zum Einsatz kommt, der im trockenen Betrieb und/oder zur Leistungssteigerung mittels Wasserbesprühung im Hybridbetrieb arbeitet. Gebäudekühlsystem mit Nutzung von Umweltenergiesenken nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass bei zeitlich limitierter Wärmeaufnahme oder zur witterungsabhängigen Effizienzsteigerung der Umweltenergiesenke (5) im Gebäudekühlsystem ein Wärmespeicher (12) integriert wird, der vorzugsweise den Wärmeträger mit niedriger Temperatur bevorratet. Gebäudekühlsystem mit Nutzung von Umweltenergiesenken nach einem der Ansprüche 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet,

dass zwischen den Kapillarrohrmattenmodulen (1; 2; 3) im Gebäude (14) und der Umweltenergiesenke (5) ein korrosionsfestes Rohrleitungssystem (4) vorzugsweise aus Kunststoff mit einer den Wärmeträgerumlauf bewirkenden Fördervorrichtung (11) angeordnet ist, und

dass vorzugsweise eine direkte hydraulische Verbindung zwischen den Kapillarrohrmattenmodulen (1; 2; 3) im Gebäude (14) und der Umweltenergiesenke (5) besteht.
Verfahren zur Anwendung eines Gebäudekühlsystems mit Nutzung von Umweltenergiesenken nach einem der Ansprüche 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet,

dass die Kühlleistung der Kapillarrohrmattenmodule (1; 2; 3) im Gebäude (14) durch Änderung des Wärmeträgerdurchflusses individuell regelbar ist,

dass im Sonderfall der rein konvektiven Arbeitsweise des Kapillarrohrmattenmoduls (1) die Kühlleistung durch einen variablen Luftvolumenstrom einstell- oder regelbar sein kann, und

dass die Wärmeträgervorlauftemperatur im System vorzugsweise durch Rücklaufbeimischung einstellbar ist, sodass im Grenzfall auch die Beaufschlagung der Kapillarrohrmattenmodule (1; 2; 3) im Gebäude (14) mit der niedrigsten von der Umweltenergiesenke (5) lieferbaren Temperatur möglich ist.
Verfahren zur Anwendung eines Gebäudekühlsystems mit Nutzung von Umweltenergiesenken nach einem der Ansprüche 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet,

dass als Sollwert für die individuelle Leistungsregelung der rollen- und paketförmigen Kapillarrohrmattenmodule (1) im Raum und für die flächenförmigen Kapillarrohrmatten-module (2) im zu kühlenden Raum oder an dessen Oberflächen die Raumlufttemperatur oder die operative Raumtemperatur Verwendung findet, und

dass der Betrieb der flächenförmigen Kapillarrohrmattenmodule (3) in der Fassade oder im Dach vorzugsweise nach einem Zeitprogramm gesteuert oder die Leistungsaufnahme nach der Rücklauftemperatur am Austritt der Kapillarrohrmattenmodule geregelt wird.
Verfahren zur Anwendung eines Gebäudekühlsystems mit Nutzung von Umweltenergiesenken nach einem der Ansprüche 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarrohrmattenmodule (1) für die direkte Raumkühlung im Versorgungssystem untereinander parallel geschaltet sind. Verfahren zur Anwendung eines Gebäudekühlsystems mit Nutzung von Umweltenergiesenken nach einem der Ansprüche 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet,

dass die Kapillarrohrmattenmodule (3) für die Fassaden- und/oder Dachkühlung zur verbesserten energetischen Nutzung der Umweltenergiesenken (5) den Kapillarrohrmattenmodulen (1; 2) im Raum nachgeschaltet sind, und

dass bei mehreren, verschiedenartigen Kapillarrohrmattenmodulen (1; 2) im Raum die Kapillarrohrmattenmodule (3) für die Fassaden- und/oder Dachkühlung vorzugsweise von einer Sammelleitung (18) mittlerer Temperatur, die sich als integrale Mischtemperatur aus den Austrittstemperaturen der primär beaufschlagten Kapillarrohrmattenmodulen (1; 2) ergibt, versorgt werden.
Verfahren zur Anwendung eines Gebäudekühlsystems mit Nutzung von Umweltenergiesenken nach einem der Ansprüche 1 bis 15 dadurch gekennzeichnet, dass das Gebäudekühlsystem von mehreren Umweltenergiesenken (5), die parallel zusammengeschaltet sind, gespeist wird. Verfahren zur Anwendung eines Gebäudekühlsystems mit Nutzung von Umweltenergiesenken nach einem der Ansprüche 1 bis 15 dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorhandensein von mehreren Umweltenergiesenken (5) mit unterschiedlichen Temperaturen die Zusammenschaltung mit den Kapillarrohrmattenmodulen (1; 2; 3) zur Gebäudekühlung gruppenweise nach exergetischer Nutzbarkeit erfolgt, um die Wirtschaftlichkeit des Gebäudekühlsystems zu befördern. Verfahren zur Anwendung eines Gebäudekühlsystems mit Nutzung von Umweltenergiesenken nach einem der Ansprüche 1 bis 17 dadurch gekennzeichnet,

dass bei Verfügbarkeit von Umweltenergiesenken (5) mit Temperaturen, die unter der Taupunkttemperatur der Raumluft liegen, wie in der Regel bei Brunnen- und Meerwasser (6; 8) gegeben, die rein konvektiv arbeitenden Kapillarrohrmattenmodule (1) auch zur Luftentfeuchtung eingesetzt werden, und

dass in diesem Fall die Leistungsregelung der Kapillarrohrmattenmodule nach dem Sollwert für die Raumluftfeuchte erfolgt, oder

dass eine komplette Regelung des Raumklimas vorgenommen wird, indem einige Kapillarrohrmattenmodule (1; 2) nach dem Sollwert für die Raumtemperatur bzw. der operativen Raumtemperatur und die restlichen im Raum angeordneten Kapillarrohrmattenmodule (1) in Rollen- und/oder Paketform nach dem Sollwert für die Raumluftfeuchte geregelt werden.
Verfahren zur Anwendung eines Gebäudekühlsystems mit Nutzung von Umweltenergiesenken nach einem der Ansprüche 1 bis 18 dadurch gekennzeichnet, dass zum Ausgleich zwischen Kühlbedarf und bereitstellbarer Umweltenergie im Gebäudekühlsystem ein oder mehrere Energiespeicher mit Temperaturen unter der Raumtemperatur (Kältespeicher), die vorzugsweise mit Latentspeichermaterial (PCM) befüllt sind, integriert werden, und dass die Steuerung der Be- und Entladung der Speicher nach der Zielfunktion minimaler Exergieeinsatz erfolgt. Verfahren zur Anwendung eines Gebäudekühlsystems mit Nutzung von Umweltenergiesenken nach einem der Ansprüche 1 bis 19 dadurch gekennzeichnet, dass bei Nutzung der atmosphärischen Luftenthalpie (9) als Umweltenergiesenke zur Effizienzsteigerung eines Nass- oder Hybridkühlturmes (10) die Einsatzsteuerung nach der Feuchtkugeltemperatur der atmosphärischen Luft erfolgt, wobei der Nachtbetrieb zu bevorzugen ist, und dass die Anpassung an den Tagesbedarf durch einen im Gebäudekühlsystem integrierten Wärmeträgerspeicher (12) vorgenommen wird. Verfahren zur Anwendung eines Gebäudekühlsystems mit Nutzung von Umweltenergiesenken nach einem der Ansprüche 1 bis 20 dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbesserung der Anlagenwirtschaftlichkeit und zur Erhöhung des thermischen Komforts die Wärmespeicherkapazität des Gebäudes (14) in die Systemsteuerung einbezogen wird, indem hauptsächlich eine nächtliche Gebäudevorkühlung mit den Kapillarrohrmattenmodulen (1; 2; 3) erfolgt. Verfahren zur Anwendung eines Gebäudekühlsystems mit Nutzung von Umweltenergiesenken nach Anspruch 21 dadurch gekennzeichnet,

dass zur effizienten nächtlichen Gebäudevorkühlung primär die in den massiven Wand- und Deckenbauteilen eingeformten Kapillarrohrmattenmodule (2; 3) eingesetzt werden,

dass die Tiefeneinordnung der Kapillarrohrmattenmodule im Bauteil mit Hilfe instationärer Simulationen bestimmt wird, um einen maximalen Wärmeentzug aus dem Bauteil mit der verfügbaren Wärmeträgereintrittstemperatur unter Einhaltung der zeitlich vorgegebenen Raumtemperaturen zu erreichen, und

dass die Steuerung der Betriebszeit vorzugsweise nach der Rücklauftemperatur aus diesen Bauteilen erfolgt.
Verfahren zur Anwendung eines Gebäudekühlsystems mit Nutzung von Umweltenergiesenken nach einem der Ansprüche 1 bis 22 dadurch gekennzeichnet, dass zur Minimierung des hydraulischen Förderaufwandes für den Wärmeträger bei Umweltenergiesenken mit niedriger Temperatur eine Netztrennung zwischen Gebäudesystem und Energiebereitstellsystem so vorgenommen wird, dass im Gebäudesystem keine geodätisch bedingten Förderaufwendungen entstehen. Verfahren zur Anwendung eines Gebäudekühlsystems mit Nutzung von Umweltenergiesenken nach einem der Ansprüche 1 bis 23 dadurch gekennzeichnet, dass bei offenen, mit der Atmosphäre in Verbindung stehenden Wärmeträgerkreisläufen mit einem geodätischen Druckunterschied, der größer als der Luftdruck ist, zur größtmöglichen Rückgewinnung der Förderenergie im Rücklauf des Gebäudekühlsystems eine Kleinstflüssigkeitsturbine eingesetzt wird. Verfahren zur Anwendung eines Gebäudekühlsystems mit Nutzung von Umweltenergiesenken nach einem der Ansprüche 1 bis 24 dadurch gekennzeichnet, dass zur zusätzlichen Steigerung der Kühlleistung bei zeitlich begrenzter Spitzenlast in das Gebäudekühlsystem eine Kältemaschine eingebunden wird. Verfahren zur Anwendung eines Gebäudekühlsystems mit Nutzung von Umweltenergiesenken nach einem der Ansprüche 1 bis 25 dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung und Regelung des Gesamtsystems einem selbstlernenden Regler übertragen wird, der vorzugsweise auf der Grundlage neuronaler Netze arbeitet. Verfahren zur Anwendung eines Gebäudekühlsystems mit Nutzung von Umweltenergiesenken nach einem der Ansprüche 1 bis 26 dadurch gekennzeichnet, dass die völlige Unabhängigkeit von Fremdenergie erreicht wird, indem die Elektroenergie für den Antrieb der Fördervorrichtung (11) durch Photovoltaik bereitgestellt wird. Verfahren zur Anwendung eines Gebäudekühlsystems mit Nutzung von Umweltenergiesenken nach einem der Ansprüche 1 bis 27 dadurch gekennzeichnet, dass bei Heizbedarf an Stelle der Umweltwärmesenke eine mit Solarenergie betriebene Wärmequelle angeschlossen wird.






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