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Heizen und Kühlen

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Inhaltsverzeichnis

Heizen und Kühlen

Heizsysteme allgemein

Heizsysteme werden nach mehreren Kriterien unterschieden. Prinzipiell kann man über die Art des Heizmediums Systeme unterscheiden. Diese wiederum unterteilen sich je nach Temperatur des Heizmediums, der Oberflächengeometrie der Abgabefläche und die Art der Wärmeabgabe.


Hier eine Übersicht über die behandelten Systeme:

System Klasse Verbreitung Bivalent Temperaturbereich C° Bemerkung
Konvektoren Niedrig-Mitteltemp. Heizung mittel bedingt 23-50 Kombination mit Luftsystem möglich
Radiatoren Mittel-Hochtemp. Heizung hoch bedingt 45-120 gebräuchlichste Heizform
Fußbodenheizungen Flächenheizung hoch ja 23-35
Wandheizungen Flächenheizung mittel ja 30-55
Deckenheizungen Flächenheizung hoch ja 50-90 nur in hohen Räumen günstig
Luftheizung Niedrig-Mitteltemp. Heizung mittel bedingt 45-70 Temperatur stark Systemabhängig
Wärmepumpen Energiewandler mittel ja variiert Temperaturunterschied entscheidet über Energiegewinn
Zentrale Kühlsysteme Klima hoch bedingt 03-24 werden vor allem in größeren Gebäuden verwendet
Dezentrale Kühlsysteme Klima hoch nein 03-24 für einzeln zu kühlende Räume
Solare Luftsysteme Flächenheizung niedrig ja 20-x Energie- und Wärmeerzeug
Grundwasserenergiespeicher Energiespeicher experimentell ja k.A.
Klimatisierung mit wässriger Salzlösung Klima experimentell nein 03-24 Weiterentwicklung herk. Klimaanlagen
Kapillarrohrmatten Flächenheizung Produkt mittel ja 20-24 Weiterentwicklung herk. Flächenheizsyst.
Latenzwärmespeicher Energiespeicher niedrig ja variiert Puffer für Energiespitzen

Bivalent bedeutet, dass sowohl Heizen als auch Kühlen möglich ist


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Heizmedien

Als Brennstoffe kommen unter anderem Erdgas, Flüssiggas, Heizöl, Kohle, Stroh, Holz, Biogas oder Pflanzenöle zur Anwendung. Die hauptsächlich verwendeten Wärmeträger (zum Wärmetransport) sind zum einen Luft, zum anderen Wasser. Der Hauptunterschied liegt in der jeweiligen spezifischen Wärmekapazität. Diese gibt an wie viel Energie benötigt wird um ein Gramm des Mediums um einen Grad zu erwärmen. Die Wärmekapazität liegt bei Wasser bei 4,1826 J/K*g und bei Luft 1,005J/K*g. Dies bedeutet, dass Wasser ungefähr vier mal so viel Energie aufnehmen kann als Luft, umgekehrt aber auch viermal so viel Energie benötigt um eine Temperaturerhöhung von einem Grad zu erzielen. Das Heizmedium wirkt sich außerdem auf die Abgabezeit aus. So kann Wasser mit einem verhältnismäßig geringem Volumen dieselbe Energie abgeben wie Luft mit einem im Verhältnis hohem Volumen.

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Heiztemperatur

Die Temperatur eines Heizsystems ist ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt. Prinzipiell kann man sagen, dass je weiter die Temperatur des Heizsystems von der Raumtemperatur entfernt ist umso ineffizienter die Energieausnutzung ist. Über die Temperatur lassen sich Heizsysteme in drei Arten unterteilen: Niedertemperaturheizungen arbeiten mit Raumnahen Temperaturen. Sie geben die Energie über große Flächen ab. Dadurch erzielen sie ein für Wohnräume angenehmes Klima, da Konvektionsbewegungen der Luft größtenteils minimiert werden. Außerdem arbeiten sie relativ energieeffizient. Eine weitere Art sind Mitteltemperaturheizungen. Zu ihnen gehören z. B. Plattenheizkörper oder Radiatoren. Ihre Funktionstemperatur liegt dabei im Bereich von 50°C bis 70°C. Die Wärmeleistung ist direkt mit der Oberfläche und der Vorlauftemperatur verknüpft. Je höher die Vorlauftemperatur ist, desto kleiner müssen die Abgabeflächen dimensioniert sein und umgekehrt. Niedertemperaturradiatoren sind deshalb im Verhältnis relativ teuer und groß.


Bild:Heizsysteme Temperatureinteilung.png


Die Temperatur des Mediums spielt insofern eine große Rolle, weil die transportierte Wärmemenge abhängig von der Temperaturspreizung ist. Bei hohen Temperaturen wird mehr Energie abgegeben als bei raumnahen Temperaturen. Dies bedeutet, dass Niedrigenergieheizungen um dieselbe Erwärmung in einem Raum zu erzielen eine viel größere Oberfläche benötigen und eine viel größere Menge des Heizmediums umgewälzt werden muss. Eine Niedertemperaturheizung mit einer Spreizung von 40/35 (dT=5°C) muss bei gleicher thermischer Leistung viermal soviel Wasser umwälzen wie eine Hochtemperaturheizung mit einer Spreizung von 90/70 (dT=20°C). Diese Abhängigkeit lässt sich in einer einfachen Formel ausdrücken:


Q=m*cp*dT


Q…..Wärmemenge[kJ/s=kW]

m…..Wassermenge[kg/s]

cp….spezifische Wärme=4,2 [kJ/kg*K]

dt….Temperaturdifferenz, Spreizung [K=°C]


Die Temperatur wirkt sich somit auch direkt auf die Kosten für den Einbau eines solchen Systems aus. Niedrigtemperaturheizungen sind vom Raumklima und den Betriebskosten günstiger, Mitteltemperaturheizungen vom Einbau.


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Hochtemperaturheizungen

Hochtemperaturheizungen sind in den letzten Jahrzehnten aus Wohnräumen so gut wie verschwunden. Sie haben durch ihre hohen Vorlauftemperaturen von bis zu 90°C ungünstige raumklimatische Eigenschaften. Zudem riechen sie nach verbranntem Staub und man kann sich an ihren Oberflächen verbrennen. Eingesetzt werden sie vorwiegend in Industrie- und Gewerbegebäuden. Dabei sind Vorlauftemperaturen von 90°C auch bei Luftheizungen durchaus üblich.


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Mitteltemperaturheizungen

Beispiel für einen Plattenradiator


Mitteltemperaturheizungen können genauso wie Hochtemperaturheizungen betrieben werden, womit diese nicht gesondert behandelt werden. Die üblichste Form von Heizkörpern stellen sicher Plattenheizkörper dar. Sie werden aus Stahlblech gefertigt und können beliebig im Raum angeordnet werden. Sie besitzen ein gutes Regelverhalten. Sie können durch die verhältnismäßig geringe Wärmekapazität rasch warm werden und kühlen nach dem abschalten dementsprechend rasch wieder ab. Dies ist vor allem in Räumen mit wechselnden Personenlasten von Vorteil. Prinzipiell kann zwischen zwei Plattenheizkörperarten unterscheiden. Flachradiatoren bestehen aus profilierten Stahlblechen, die waagrechte und senkrechte Kanäle bilden. Die Wärmeabgabe erfolgt nach vorne über Wärmestrahlung und an den restlichen Seiten über Konvektion. Flachradiatoren sind eine kostengünstige und weit verbreitete Lösung. Konvektorplattenheizkörper besitzen zudem noch zusätzliche Lamellen, welche die Oberfläche erhöhen und somit die Abgabefläche vergrößern. Diese haben aber auch eine höhere Konvektionsbewegung zur Folge.


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Niedertemperaturheizungen

Fußbodenheizung

Niedertemperaturheizungen stellen durch ihre großen Abgabeflächen ein physiologisch gutes Heizsystem dar. Sie arbeiten größtenteils über Wärmestrahlung, weshalb sie auch eine verhältnismäßig geringe Konvektion verursachen. Je größer die Abstrahlfläche dabei ist, desto geringer kann dabei die Vorlauftemperatur angesetzt werden. Die große Abstrahlfläche hat zudem die Wirkung, dass die Lufttemperatur um zwei Grad geringer angesetzt werden kann als bei herkömmlichen Heizsystemen. Diese zwei Grad Unterschied bringen eine Energieeinsparung von bis zu 15% mit sich. Eine niedrige Vorlauftemperatur hat zudem den Vorteil, dass weniger Energie verbraucht wird und Heizsysteme mit Wärmepumpen, Solaranlagen und Brennwertkesseln verbunden werden können. Solche großflächigen Heizsysteme sind in der Regel im Boden, in Wänden oder in der Decke untergebracht. Decken und Wände können im Sommer zudem zur Kühlung des Gebäudes genutzt werden.


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Raumklima

Behaglichkeitsfeld


Das Raumklima ist der ausschlaggebende Faktor für das Befinden innerhalb eines Raumes. Es wird in erster Linie vom Heiz- und Kühlsystem bestimmt. Diese besitzen die Aufgabe eine Behaglichkeit innerhalb von Gebäuden und Räumen zu erzeugen. Dies bedeutet im speziellen Fall, dass die Raumtemperatur sich im Bereich von 19-23°C bewegt und die Oberflächentemperatur sich zwischen 18-25°C bewegt. Dieses Behaglichkeitsfeld ist dadurch definiert, dass die Haut des Menschen sich bei diesen Temperaturen im Idealbereich von 33-37°C bewegt. Außerdem spielen noch die Luftfeuchtigkeit und die Luftbewegung innerhalb eines Raumes eine große Rolle für das Wohlbefinden innerhalb eines Raumes. Das Ziel eines jeden Heizsystems sollte es sein ein möglichst angenehmes Klima innerhalb eines Raumes zu erzielen.

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Quellen:

Peter Schütz, Ökologische Gebäudeausrüstung - Neue Lösungen, Springer Verlag Wien 2003, ISBN 3-211-83584-9

Gebräuchliche Heizsysteme

Radiatoren und Konvektoren


Radiatoren sind Heizsysteme, die ihre Energie in erster Linie über Konvektion abgeben. Insofern ist der Name Radiator, welcher in den Baunormen für derartige Heizkörper verwendet wird, irreführend, da Radiator (vom lat. radiare: strahlen) eigentlich Strahler bedeutet. Radiatoren und damit verbunden auch Konvektoren sind das noch wohl am weitesten verbreitete Abgabesystem für Heizsysteme. Kennzeichnend ist die gerippte Bauform, durch die große Oberflächen erzielt werden.

Eine Weiterentwicklung von herkömmlichen Radiatoren sind die Platten- oder Flachheizkörper. Diese haben einen höheren Anteil an Wärmestrahlung als herkömmliche Radiatoren, werden aber auch in einer Kombinationsform gebaut. Dabei werden auf der Innenseite, ähnlich wie bei Radiatoren, Lamellen angebracht, welche die Konvektion des Heizkörpers steigern, aber auch die Energieeffizienz um bis zu 30% steigern.

Die Dicke von Plattenheizkörpern kann bis auf 1,11m reduziert werden. Dabei wird die Wasserführung innen durch eine Profilierung gewährleistet. Oft werden bei Plattenheizkörpern bis zu drei Platten hintereinandergeschaltet. Ab einer Verbauung von zwei Platten werden oben und an der Seite Abdeckungen angebracht. Plattenheizkörper bewegen sich in der Regel in einem üblichen Abmessungsbereich:

Abmessungen Plattenradiatoren


Plattenradiatoren arbeiten mit Temperaturen von bis zu 120°C. Die Betriebstemperatur ist in erster Linie vom Standort und dem Heizträger abhängig.


Beispiel für einen Konvektor

Konvektoren geben ihre Wärme hauptsächlich durch Konvektion also durch Luftumwälzung ab. Sie zeichnen sich durch kleine Bauhöhen aus. Konvektoren können ein- oder mehrreihig sein. Trotz ihrer kleinen Bauform haben Sie eine sehr gute Wärmeleistung. Konvektoren können als Unterflurkonvektoren in einem Bodenkanal montiert werden und mit einem begehbaren Gitter abgedeckt werden. Dies bietet sich vor allem bei Fenstern an, die bis zum Boden reichen. In Fällen wo die Bauhöhe zu gering ist und somit die Wärmeleistung nicht ausreicht, wird der Konvektor häufig mit einer Fußbodenheizung kombiniert. Um die Wärmeleistung zu erhöhen, wird oft mittels Ventilator Luft durch den Konvektor geleitet. Dann wird von einem gebläsegestützten Unterflurkonvektoren gesprochen.

Bei guter Planung und in modernen Häusern mit geringem Wärmebedarf sind Konvektoren, und im weiteren Schritt Luftheizungen, möglicherweise das System der Zukunft.

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Fußbodenheizungen


Fußboden- und Wandheizungen erzeugen im Gegensatz zu den üblichen Heizkörpern mehr Strahlungs- als Konvektionswärme. Heizkörper erwärmen den Raum durch Umwälzung der Luft von unten nach oben und bewegen dadurch ständig Staubpartikel und Mikroorganismen. Die Fußboden- und Wandheizungen geben hingegen überwiegend Strahlungswärme ab. Dies wird, wie man es vom Kachelofen her kennt, als angenehmer empfunden und ist baubiologisch sowie hygienisch vorteilhafter. Fußboden- und Wandheizungen bestehen aus feinen, großflächig verlegten Rohrsystemen. Sie verlaufen meist in Gipskartonplatten an den Innenwänden oder unter dem Fußbodenbelag und müssen auf der dem Raum abgewandten Seite wärmegedämmt sein.


Wand- oder Fußbodenheizungen sind außerdem energetisch deutlich vorteilhaft. Die Raumtemperatur kann um 2-3°C abgesenkt werden, da der menschliche Körper die Strahlungswärme sofort wahrnimmt. Vor allem aber werden Fußboden- und Wandheizungen mit niedrigen Vorlauftemperaturen von 25 bis maximal 55°C betrieben. Sie können somit sehr gut mit thermischen Solaranlagen kombiniert werden, die solche Temperaturen bei ausreichender Speicherkapazität fast das ganze Jahr über erreichen. Die Rohrsysteme der Fußboden- und Wandheizung könnten auch zur Raumkühlung eingesetzt werden.

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Planung

Fußbodenheizungen erfordern einen verhältnismäßig geringen Planungsaufwand. Trotzdem muss auf bestimmte Punkte geachtet werden. So darf die Oberflächentemperatur in Aufenthaltsräumen maximal 29°C, in Bädern und Randzonen maximal 33-35°C betragen. Höhere Temperaturen haben ein unangenehmes Raumklima und eventuell auch Venenleiden zur Folge.

Die Führung der Rohre wird durch den Verlegeabstand, der aus einer Berechnung ermittelt wird, bestimmt. Die Abweichung vom ermittelten Rohrabstand darf in einer bestimmten Toleranz nicht überschritten werden, weil dadurch die Gefahr einer zu großen Welligkeit im Estrich entsteht. Die Welligkeit ist der Temperaturunterschied zwischen den Rohren.

In der Regel ist die Vorlauftemperatur mit 55°C festgelegt. Die Raumtemperaturen ergeben sich dann über weiterführende Berechnungen und den Verlegedichten der Rohre.

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Aufbau

Nassaufbau


Um eine ausgeglichene Oberflächentemperatur über die gesamte Bodenfläche zu gewährleisten, wird die Wärme nicht direkt von dem Heizrohr an den Boden geleitet, sondern zunächst auf Wärmeverteiler, in der Regel einen Estrich, übertragen und erst anschließend an den Oberboden abgegeben. Die Heizrohre sind in einen durch Heizflächenabdeckungen geschaffenen Hohlraum integriert. Dieser gewährleistet u.a., dass sich bei Wärmezuführung das gesamte Heizsystem im Boden frei ausdehnen kann. Die Fußbodenheizung kann bauartbedingt mit jeder Heizwassertemperatur betrieben und so ohne zusätzliche Regelanlagen mit bestehenden Heizanlagen kombiniert werden.


Trockenaufbau

Als Trockenaufbau bezeichnet man ein Heizsystem, bei dem die Heizrohre in - durch Lager geschaffene - Hohlräume integriert sind. Auf diese Weise ist es den Heizrohren möglich, sich bei Wärmezuführung frei auszudehnen. Dies verhindert Zug- und Druckspannungen im Heizsystem und Oberboden. Die Verteilung der Wärme vom Heizrohr an die Bodenoberfläche geschieht großflächig mittels Wärmeverteilern, die das Heizrohr umgreifen.


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Quellen:

Janssen Fußbodenheizungen

Wikipedia: Fußbodenheizungen In: Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 14. Dezember 2008, 17:57 UTC.(Abgerufen: 30. Dezember 2008, 15:21 UTC)

Wikipedia: Flächenheizsysteme In: Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 14. Dezember 2008, 18:17 UTC.(Abgerufen: 30. Dezember 2008, 15:34 UTC)

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Wandheizungen


Wandheizungen sind eine Weiterentwicklung der Fußbodenheizung, wobei der Estrich durch eine dicke Putzschicht ersetzt wird. Auf einer Wand werden Rohre aufgebracht. Nach der Rohranordnung unterscheidet man Registersysteme, bei denen zwischen Vorlauf- und Rücklaufrohr Registerrohre angebracht sind, ihr Vorteil ist z.B. ihre kurze Ansprechzeit, sowie Endlosrohrsysteme, wie in der Fußbodenheiztechnik üblich, die eher kostengünstig sind. Dabei sollten Vorlauf und Rücklauf möglichst parallel geführt werden, weil dann wärmeres und kälteres Wasser dicht nebeneinander fließen und sich die durchschnittliche Temperatur des Wassers somit gleichmäßig auf die gesamte Fläche der Wand verteilt. Das Wasser wird durch eine Umwälzpumpe transportiert.

Als Rohrmaterial dienen Kupfer oder Metallverbund - gängig sind 12 bis 16 mm Durchmesser - oder Kunststoff. Für Registersysteme sind auch kleinere Rohrdurchmesser möglich bzw. üblich. Es werden vormontierte oder standardisierte Elemente angeboten, die nur noch an der Wand befestigt und miteinander verbunden werden müssen. Der Abstand der Rohre liegt zwischen 5 und 20 cm. Wandheizungen werden in Innen- und Außenwände integriert.

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Planung:

Wandheizungen sollten mit einer Vorlauftemperatur von maximal 50°C arbeiten. Die Oberfläche einer Wand sollte zudem nie eine Temperatur von 40°C überschreiten.

Wandheizungen sollten in der Regel nicht an Außenwänden angebracht werden, da dadurch ein Energieverlust stattfindet. Der Temperaturunterschied zwischen den zwei Seiten einer Innenwand ist in der Regel geringer, weshalb der Wärmeverlust auch geringer ausfällt. Je größer nämlich ein Temperaturunterschied, desto höher der Energiefluss.

Bei einer Wandheizung muss desweiteren noch berücksichtigt werden, dass Wandflächen nicht mit Möbeln oder dergleichen verdeckt werden. Dies macht das Heizsystem träger und ineffizienter. Außerdem sollte die Lage der Rohre dokumentiert werden, falls nachträglich Nägel oder andere Befestigungen in die Wand geschlagen werden müssen.

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Aufbau

Der Aufbau einer Wandheizung ist im Prinzip an den Aufbau einer Fußbodenheizung angelehnt. Beim Nassaufbau wird an Stelle des Estrichs ein gut wärmeleitender Putz verwendet.

Beim Trockenaufbau wird mit Verlegeplatten, Wärmedämmplatten mit integrierter Leitungsführung oder mit Trockenbauplatten gearbeitet.


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Quellen:

Janssen Fußbodenheizungen

Wikipedia: Wandheizungen In: Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 14. Dezember 2008, 17:57 UTC.(Abgerufen: 30. Dezember 2008, 15:21 UTC)

Variotherm Herstellerseite


Deckenheizungen


Deckenheizungen sind eine abgewandelte Form einer Flächenheizung. Sie sind vom System her an Wand- oder Fußbodenheizungen angelehnt, bestehen aber aus statischen Heizelementen. Die Wärmeabgabe erfolgt in der Regel direkt, ohne größere Wärmespeicher (z.B. Estrich). Deckenstrahlplatten können als Einzelplatten oder mehrfach angebracht werden. In der Regel werden durch derartige Platten 10-20% der Deckenfläche abgedeckt.

Ein Vorteil von Deckenheizungen stellt die hohe Regelbarkeit durch eine geringe Trägheit und kurze Aufheizzeiten dar. Deckenheizungen sollten aber nicht in niedrigen Räumen verbaut werden, da die Erwärmung in Kopfhöhe als unangenehm empfunden wird.

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Planung:

Deckenheizungen arbeiten mit einer Vorlauftemperatur von 50-90°C . Durch den großflächigen Einsatz von Aluminium-Wärmeverteiler kann die Heizleistung der Deckenheizung optimal dem Wärmebedarf des zu beheizenden Raumes angepasst werden.

Die Deckenheizung wird vornehmlich im Rahmen von Bauvorhaben eingesetzt, wo der Wärmebedarf der Räume nicht bereits durch eine Fußbodenheizung, Wandheizung, Heizkörper bzw. eine Kombination dieser gedeckt werden kann. Dadurch bietet es sich oft an, dass Kreisläufe (z.B. der einer Fußbodenheizung) miteinander kombiniert werden.

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Aufbau

Deckenheizungen werden in der Regel mit möglichst wenig Putz oder anderen Speichermaterialien abgedeckt, damit die Wärmestrahlung optimal in den Raum übergehen kann. In der Regel besteht eine Deckenheizung aus Heizrohren und den Aluminiumverteilern zur gleichmäßigen Energieverteilung.


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Quellen:

Zehnder Herstellerseite

Janssen Fußbodenheizungen


Aquatherm Herstellerseite


Luftheizung


Luftheizungsanlage

Luftheizungen werden in erster Linie für Bürogebäude, Gewerbe oder Industriehallen eingesetzt. Jedoch gibt es auch Systeme welche es erlauben sie in Wohnhäusern zu verwenden, und trotzdem ein angenehmes Wohnklima zu erzeugen (Luftheizungen besitzen oft einen hohen Luftstromwert). Es gibt mehrere gebräuchliche Standardlösungen.

Luftheizer

Luftheizer werden in Industrie und Gewerbehallen eingesetzt, also wo Komfort eine untergeordnete Rolle spielt. Sie zeichnen sich durch eine kostengünstige Errichtung, eine leichte Wartung und einen billigen Betrieb aus. Die Ausführungsformen basieren auf dem Grundsystem von Heizregister (Luftwärmetauscher), einem Gebläse und einem Regelungssystem.

Die Luftgeschwindigkeiten in einem solchen System sind in der Regel im Verhältnis hoch, steht vor allem die Wärmeleistung im Vordergrund.

Luftschleier

Luftschleier verhindern das Einströmen von Kaltluft bei Eingangstüren welche laufend geöffnet werden (Kaufhäuser, Lager, etc.). Dabei wird warme Luft oberhalb oder an der Seite des Eingangsbereiches eingeblasen und direkt unterhalb im Boden wieder abgesaugt. Dieses System verhindert das Eindringen von kalter oder auch warmer Außenluft und unterbindet dadurch eine unangenehme Zugluft.

Luftschleier sind keineswegs energiesparend, jedoch in bestimmten Bereichen doch sinnvoll. Luftschleier haben zudem einen hohen Platzbedarf, da sie große Luftmengen transportieren müssen.

Luftheizungen zeichnen sich neben dem kostengünstigen Betrieb in erster Linie durch eine rasche Regelgeschwindigkeit aus.


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Luftheizung im Passivhaus

Zwingende Voraussetzung für den Einsatz einer Luftheizung ist ein Gebäude mit einem sehr tiefen Heizleistungsbedarf wie man ihn typischerweise bei Niedrigenergie- oder Passivhausbauten vorfindet. Sind diese Voraussetzungen gegeben, kann die Luftheizung eine Alternative zu den konventionellen Heizsystemen sein, wie vor allem die Interviews zeigen. Die Vorteile der Luftheizung liegen bei der Einfachheit und der damit möglichen Kosteneinsparung. Als Nachteile ist - neben den klar gegebenen Leistungsgrenzen - vor allem die Tatsache zu werten, dass bei Luftheizungen eine nicht-fachgerechte Planung oder eine unsaubere Ausführung schneller als bei jedem anderen System zu grösseren Problemen im Betrieb führen.


Ein Niedrigenergie- oder Passivhaus weist aufgrund der für diese Standards geltenden Anforderungen einen sehr tiefen Heizleistungsbedarf von rund 10 W/m2 oder weniger auf. Dieser tiefe Heizleistungsbedarf führt dazu, dass neben den konventionellen Wärmeverteil- und Wärmeabgabesystemen wie Fussbodenheizung oder Heizkörper auch die Luftheizung zum Thema wird. Niedrigenergie- und Passivhäuser werden zur Reduktion der energetischen Lüflungsverluste, vor allem aber zur Sicherstellung einer hohen Luftqualität mit einem steuerbaren Luftwechsel ausgerüstet (Komfortlüflung). Bei einem Heizleistungsbedarf von 10 W/m2 kann die aus hygienischen Gründen notwendige minimale Luftmenge ausreichen, um gleichzeitig auch die notwendige Wärme im Gebäude zu verteilen. Auf ein zusätzliches Wärmeverteilsystem kann verzichtet werden, was entsprechende Kosteneinsparungen erwarten lässt.


Oft stehen Luftheizungen für einfache, flinke und kostengünstige Systeme. Aber bei Gebäuden mit einer Luftheizung tauchen immer wieder kleinere und grössere Probleme auf. Die Luftheizung hat also neben ihren Vorteilen auch Nachteile und es gibt Grenzen für deren Einsatz. Dies ist mitunter ein Grund für Diskussionen in der Fachwelt über den sinnvollen Einsatz der Luftheizung.


Funktionsweise

Das Heiz/Lüftungsgerät wird bevorzugter Weise als Kompaktgerät im WC installiert. Frischluft und Abluftleitungen liegen im Sanitärschacht hinter dem WC. Die vom Gerät in die Wohnzimmer führenden Zuluftleitungen (DN125- Flexkanäle) laufen an der Decke durch das Vorzimmer und münden in die Zimmer oberhalb der Türe, wo kleine Weitwurfdüsen situiert sind. Bei geeigneter Planung der Zimmeranordnung sind, abgesehen von den Verteilleitungen in WC, Bad und Vorzimmer keinerlei Luftleitungen in den Zimmern nötig. Im Vorzimmer, Bad und WC sind die Lüftungskanäle von einer abgehängten Decke verdeckt.


Die Außenluft wird vom Gerät aus der Luftleitung im Schacht über ein Filter angesaugt. Im Gegenstromwärmetauscher wird sie durch die warme Abluft erwärmt, wobei bis zu 85% der Wärme rückgewonnen wird. Anschließend wird die Luft im Heizregister auf die nötige Zulufttemperatur (20–55°C) erwärmt und über die oben beschriebenen Luftleitungen in die Wohn- und Schlafräume eingeblasen. Im Raum gibt die Luft die Wärme ab (Heizfunktion), strömt abgekühlt und „verbraucht“ über die Türritzen aus den Wohnräumen in den Flur und von dort in die Sanitärräume, wo sie vom Luftheizgerät über den Wärmetauscher wieder abgesaugt wird. Dieser Frischluft/Abluft-Betrieb dient einerseits zur Bereitstellung des mindest nötigen Frischluftwechsels von LW = 0,2–0,4, also zum Abtransport der Übschussfeuchte und schlechten Luft und andererseits zum Heizen. Reicht diese geringe Luftmenge im Heizbetrieb nicht aus, so kann zusätzlich Umluft in der Wohnung umgewälzt und so bis zu 3 kW Wärme eingebracht werden.

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Wärmepumpen


Wirkungsweise

Wärmepumpen entziehen unter Einsatz von Arbeit einer relativ kalten Energiequelle Wärme um sie dann auf einem höheren Temperaturniveau für Heizzwecke, z. B. im Vorlauf einer Warmwasserheizung zu verwerten. Dafür sind folgende zwei Energiequellen erforderlich:

  • die Energie zum Antrieb des Kompressors der Wärmepumpe (Strom) und
  • ein Energieträger auf niedrigem Temperaturniveau (z. B. Grundwasser, Erdwärme, Außenluft)


Bild:Funktion-waermepumpe.png


Ein Kältemittel mit geringer Verdampfungstemperatur (z. B. 2°C) zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf. Es kommt flüssig und mit geringer Temperatur und niedrigem Druck in einen großräumigen Verdampfer (im Falle der Verwendung von Erdwärme ein Erdkollektor), wo es durch Zufuhr von Erdwärme oder einer anderen Niedertemperaturwärmequelle verdampft. Das kalte Gas gelangt in den Verdichter (Kompressor), wo es sich durch die Erhöhung des Drucks auch auf eine höhere Temperatur erwärmt. Dieser heiße Dampf gelangt nun unter hohem Druck in den Kondensator (Verflüssiger), wo die Wärme an den Heißwasserkreislauf abgegeben wird. Durch die Abkühlung kondensiert das Gas, es wird wieder flüssig. Die folgende Verringerung des Drucks (Expansion) bewirkt eine weitere Abkühlung der Flüssigkeit und der Kreislauf beginnt von neuem. Energiezufuhr ist lediglich für den Betrieb des Kompressors erforderlich.


Etwa 1/3 der gewonnenen Wärme muss als Antriebsenergie für den Kompressor aufgewandt werden und 2/3 werden der Niedertemperaturenergiequelle entzogen.

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Energiequellen

Zu den Niedertemperaturwärmequellen zählen Wasser, Luft und Erdreich, deren an sich für Heizungszwecke zu niedrige Temperaturen durch die Wärmepumpe auf ein höheres Temperaturniveau gebracht werden. Der direkte Einsatz von NT-Erdwärme zur Lufterwärmung wurde schon im Kapitel Luftbrunnen behandelt. Die Abbildung zeigt den Temperaturgang der verschiedenen Wärmequellen in Abhängigkeit von der Außentemperatur.


WASSER: Oberflächenwasser, Grundwasser sowie Abwässer und Kühlwässer von Industrieanlagen und gewerblichen Einrichtungen bieten aufgrund von Kontinuität und relativ hohen Temperaturen gute Nutzungsmöglichkeiten. Bei Grundwasser gibt es meist rechtliche Probleme.


ERDWÄRME: Die Erde funktioniert als natürlicher, von Sonnenenergie und Regen gespeister Kollektor, dem die gespeicherte Energie durch Flächenkollektoren und Erdsonden entzogen werden kann.


LUFT: Außenluft und Abluft, Abwärme aus Kältemaschinen, Lüftungs- oder Klimaanlagen, aber auch Abgase von Verbrennungskraftmaschinen stellen ein nahezu allzeit verfügbares, mit geringen Investitionskosten verbundenes Energiepotential dar.


Energiequellen für Wärmepumpe


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Quellen:

Peter Schütz, Ökologische Gebäudeausrüstung - Neue Lösungen, Springer Verlag Wien 2003, ISBN 3-211-83584-9

K+W Info

Wärmepume Artikel Wikipedia



Kühlsysteme allgemein

Beispiel für einen gebräuchlichen Kühlkreislauf

Kühlsysteme werden in erster Linie, ähnlich wie Heizsysteme, nach den verwendeten Trägermedium unterschieden. Prinzipiell unterteilt man in Flüssigkeits- und Luftkühlungen. Diese basieren auf dem Prinzip der Wärmeübertragung, also der Wärmeweiterleitung vom zu kühlenden Objekt auf den Kühlstoff (Wasser, Luft, etc.).

In Gebäuden werden in erster Linie Luftkühlungen verwendet. Seltener kommen Flüssigkeitskühlungen zum Einsatz. Das Ziel solcher Anlagen besteht darin, ein optimales Raumklima in Zeiträumen von Wärmeüberschuss einzustellen. Der optimale Bereich liegt dabei zwischen 20-22°C in Büroräumen. Ein weiterer wichtiger Punkt ist aber auch die Luftfeuchtigkeit. Diese sollte im Bereich um 50% liegen. In Mitteleuropa wird deshalb eine Klimaanlage auch für die Regulierung der Luftfeuchtigkeit benutzt, während es weltweit oft nur als Raumkühlung verstanden wird.

Aus diesem Grund gibt es z.B. in Deutschland eine Norm (DIN EN 13779) nach der solche Anlagen kategorisiert werden.

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Vor- und Nachteile

Pro:

  • Gesundheitlich zuträgliche Atemluft wird den Arbeitsräumen zugeführt. Die Luftqualität orientiert sich innerhalb der Normen an der Außenluft, d.h., dass die Innenluftqualität, der Qualität der Außenluft entsprechen muss.
  • Bei etwa 20 °C ist der Mensch zu 100 % leistungsfähig. Bei 28 °C sinkt die Leistungsfähigkeit auf 70 % und bei 33 °C auf 50 %. Laut Arbeitsstätten-Richtlinie Raumtemperatur (ASR 6 - deutsche Norm) soll die Temperatur an Büroarbeitsplätzen 26 °C nicht übersteigen.


Contra:

  • die Kühlung von Gebäuden, welche über keine oder wenig thermische „Puffer“ verfügen („Glasarchitektur“), ist trotz hoher Wirkungsgrade nur unter erheblichem Energieeinsatz möglich - dieses erhöht den Ausstoß klimaverändernder Gase erheblich.
  • Einige Menschen können das künstliche Klima als unangenehm empfinden (Sick-Building-Syndrom).
  • Schlecht gewartete Systeme können Bakterien, Schimmelpilze und Mikroorganismen verbreiten.
  • Zwar verbrauchen moderne, effiziente Klimaanlagen weniger Energie als ältere Geräte, aber ein verlustleistungsfreier Betrieb ist prinzipiell unmöglich.

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Zentrale Kühlsysteme:

Beispiel einer Klimazentrale


Bei zentralen Kühlsystemen werden alle notwendigen Funktionen, wie Förderung, Filterung, Temperierung, Be- und Entfeuchtung in einem zentralen Gerät betrieben. Zentrale Kühlsysteme werden weiters in kombinierte Luft/Wasseranlagen und in Nur-Luft-Anlagen unterteilt.

Luft/Wasseranlagen sind ein flexibles System, da sie Räume über Kühldecken, Heizkörper, etc kühlen. Die den Räumen zugeführte Luft wird dabei aber in einem zentralem Gerät innerhalb des Gebäudes reguliert.

Nur-Luft-Anlagen stellen eine Sonderlösung dar und werden vor allem in größeren Versammlungsräumen oder in Gebäuden wo wassergebundene Flächensysteme vermieden werden sollen, verwendet.

Bewährt haben sich in erster Linie deshalb die Luft/Wasseranlagen, da sie vor allem gegenüber den Luftsystemen eine höhere Raumqualität erlauben. Zusätzlich bietet die zentrale Auslegung solcher Systeme eine Möglichkeit zur Kosteneinsparung, da bei Problemen die Wartung unproblematischer ausfällt.

Zentrale Lüftungsanlagen gestatten eine umfassende und energieeffiziente Aufbereitung der benötigten Luft. Unabhängig von der Fassadenausrichtung wird der verkehrsabgewandten Gebäudeseite in Bodennähe hier im Winter wind-/regengeschützt relativ warme und im Sommer relativ kühle Außenluft ins Gebäude eingebracht. Die Baugrößen ermöglichen durchgängig den Einsatz von Komponenten mit hohen Wirkungsgraden, wie z.B. Ventilatoren, Wärmerückgewinnung, Schalldämpfung. Zur Steigerung der Energieeffizienz lassen sich leistungsfähige multifunktionale Wärmerückgewinnungssysteme einsetzen, die auch im Sommer „als Nebenprodukt“ mit der indirekten adiabatischen Verdunstungskühlung selbsterzeugte Kälte bereit stellen. Damit wird die Heizzentrale um den Teil der thermischen Luftaufbereitung entlastet, und große stromzehrende Kälteanlagen inkl. deren Rückkühlwerke werden vermieden. Zudem können architektonische Möglichkeiten zur Vermeidung von Transmissionswärmeverlusten, wie z.B. Doppelfassade oder Passivhausbauweise umfassend genutzt werden.

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Dezentrale Kühlsysteme

Beispiel für eine dezentrale Klimaanlage

Bei dezentralen Klimaanlagen werden die Luftbehandlungen: Luftförderung, Filterung und Temperierung direkt im Raum ausgeführt. Unabhängig von der Himmelsausrichtung des Gebäudes wird über die Fassade die benötigte Luft raumweise angesaugt und ins Gebäude eingebracht. Die Raumabluft wird ebenfalls wieder raumweise über die Fassade ins Freie entlassen.

Analog den zentralen Klimaanlagen lassen sich dezentrale Klimaanlagen ebenfalls in Luft-/Wasser-Anlagen und Nur-Luft-Anlagen unterteilen. Allerdings beschränken sich hier die Nur-Luft-Anlagen auf relativ kleine Räume, wie zB. Büroräume an der Fassade.

Bei dezentralen Klimaanlagen werden die Luftbehandlungen: Luftförderung, Filterung und Temperierung direkt im Raum ausgeführt. Unabhängig von der Himmelsausrichtung des Gebäudes wird über die Fassade die benötigte Luft raumweise angesaugt und ins Gebäude eingebracht. Die Raumabluft wird ebenfalls wieder raumweise über die Fassade ins Freie entlassen.

Analog den zentralen Klimaanlagen lassen sich dezentrale Klimaanlagen ebenfalls in Luft-/Wasser-Anlagen und Nur-Luft-Anlagen unterteilen. Allerdings beschränken sich hier die Nur-Luft-Anlagen auf relativ kleine Räume, wie zB. Büroräume an der Fassade.

Die Luftführung erfolgt dabei in der Regel direkt von der Außenwand des zu kühlenden Raumes in den Innenraum. Dies hat manchmal aber auch den Nachteil, dass bereits belastete Luft (durch Verkehrsabgase, etc.) in den Raum gelangen kann. Außerdem stellt eine derartige Direktverbindung eine Schwachstelle im Schallschutz dar und auch die zugeführte Luftmenge ist von den außen herrschenden Bedingungen (Winddruck) abhängig. Zusätzlich können nicht korrekt geplante Filter in der Anlage dazu führen, dass diese durch falsche Be- und Entfeuchtung durchnässen und dadurch verkeimen.

Aus diesen Gründen wird zum Großteil eine Dezentrale Klimaanlage nur nachträglich als Notlösung eingesetzt. Auch in der Energieeffizienz hinken dezentrale Anlagen zentralen hinterher, da zwar die Luftverteilung auf die benötigten Flächen beschränkt wird, aber diese in der Regel mehr Energie als eine zentrale Anlage verbrauchen.Auf Grund der Thermik und Strahlung erfordert die Fassaden-Außenluft im Sommer zudem höhere Kühlleistung. Da auch keine indirekte adiabate Verdunstungskühlung nutzbar ist, muss die Kühlleistung über Kältemaschinen und Rückkühlwerke erzeugt werden, die zusätzliche Technikflächen benötigen und hohe Stromverbräuche verursachen. Bei der Wartung dezentraler Bauteile hat sich gezeigt, dass Zeit- und Transportaufwand für lange Wege und erneute Rüstzeiten vor Ort durchweg erhöhte Kosten nach sich ziehen. Auch können Wartungsarbeiten im Raum Behinderungen im Arbeitsablauf der dort anwesenden Personen verursachen. Dezentrale Klimaanlagen gestatten ein eigenes Konzept zur flexiblen Raumnutzung und Kostenabrechnung.

Um über die Fassade Fortluftansaugungen zu vermeiden und damit auch Brand- und Rauchübertragung einzuschränken, geht man von den dezentralen Klimaanlagen inzwischen vermehrt zu hybriden Ausführungen über. Dabei wird die Raumabluft im Gebäude zusammengefasst und über ein zentrales Abluftgerät über Dach abgeführt, während die Außenluftansaugungen der einzelnen Räume noch über die Fassade erfolgen.

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Typen von Klimaanlagen

Generell wird zwischen zwei kälteerzeugenden Systemen unterschieden, nämlich zwischen Kompressions- und Absorptionskältemaschinen. Der Unterschied besteht dabei in der zugeführten Form von Energie. Während bei Kompressionssystemen mechanische Energie benötigt wird, wird bei Absorptionssystemen Wärme zugeführt.

Die Systeme unterscheiden sich dabei zwar in der relativen Energieeffizienz, sind aber im Betrieb in etwa gleichwertig.


Absorptionskälteanlagen

Absorptionskreislauf

Absorptionskälteanlagen verfügen über zwei Kreisläufe. Einen Kreislauf stellt der Lösungsmittelkreislauf dar. Dieser wird in der Regel mit Lithiumbromid (LiBr) oder bei besonderen Anforderungen mit Ammoniak (NH3) betrieben. Den zweiten Kreislauf stellt der Kältemittelkreislauf dar. Für den Kältemittelkreislauf wird in der Regel Wasser verwendet.

Die Funktionsweise basiert dabei darauf, dass die zum Verdampfen einer Flüssigkeit erforderliche Temperatur mit sinkendem Druck abnimmt. Das Kältemittel (also zum Beispiel Waser) wird dabei bei niedrigen Temperaturen verdampft. Um diese Verdampfung zu gewährleisten wird ein Lösungsmittel (z.B. LiBr, NH3) benötigt. Die genaue Funktionsweise kann man hier nachlesen.

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Kompressionskälteanlagen

Kompressionskältemaschine Kreislauf

Eine Kompressionskältemaschine funktioniert innerhalb eines geschlossenen Kreislaufes, der unter Energiezufuhr betrieben wird. Innerhalb des Kreislaufes wird Wasserdampf vom Verdichter angesaugt und verdichtet. In dem nachgeschalteten Verflüssiger kondensiert dann das Kältemittel, welches zu einem Drosselorgan geleitet wird und sich dort entspannt. Durch diese Expansion nimmt der Kältemitteldruck ab und das Wasser kühlt ab und verdampft teilweise. Im darauf folgenden Verdampfer nimmt das Wasser durch das verdampfen die zugeführte Wärme auf.

Kompressionskälteanlagen findet man in jedem Haushalt. So funktioniern Kühlschränke, Gefriertruhen, Klimaanlagen, etc. nach diesem Prinzip.

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Quellen:

Wikipedia Kühlung

Toshiba Klima

Autev




Neue Systeme

Solare Luftsysteme

Wohnhaus mit Luftkollektoren

Solare Luftsysteme sind ein zukunfstfähiges System zur Steigerung der Energieeffizienz von Gebäuden. Moderne Gebäude mit derartigen Systemen erlauben sowohl eine Heizung als auch Kühlung. In Hallengebäuden sind Luftheizungen in Mitteleuropa sehr verbreitet. Deshalb ist gerade hier eine Einbindung von Luftkollektoren sehr interessant.

In fassaden- oder dachinternen Kollektoren wird dabei Luft erwärmt und ins Gebäude transportiert. Die dabei gewonnene Energie kann direkt verwendet werden oder auch zwischengespeichert werden. Dieses System ist keineswegs vollkommenes Neuland, jedoch stellt die Technik einen hohen Planungsanspruch, weshalb es noch nicht eine hohe Verbreitung erfahren hat

Leitmedium

Luft hat mehrere Vorteile. Luft kann nicht gefrieren und die Leitungsführung ist weniger problematisch, weil bei eventuellen Schwachstellen keine Schädigung der Bauteile die Folge ist. Außerdem ist der Vorrat nahezu unbegrenzt. Luft kann frei strömen und wird in einem Haus ohnehin laufend ausgetauscht. Deshalb liegt es Nahe die gewonnene Warmluft direkt zur Beheizung zu benutzen.

Wasser hat den Vorteil, dass es eine höhere Dichte besitzt und deshalb auch eine höhere Wärmekapazität als Luft besitzt. Auch das Volumen, welches für die Beheizung benötigt wird ist viel geringer als bei Luft. Dies hat zur Folge, dass die Leitungsquerschnitte viel geringer dimensioniert werden können als bei einer Luftheizung. Außerdem ist der technische Aufwand bei der Erwärmung von Wasser geringer als bei Luft.


Energiebedarf

Funktionsweise solares Luftsystem

Die Wärmeverluste über Bauteile von Gebäuden lassen sich durch konsequenten Wärmeschutz ausreichend verringern. Lüftungswärmeverluste können aber nur bis zu einem bestimmten Grad verringert werden, da es in den Räumen einen steten Frischluftbedarf gibt. Dabei spielt der Wärmestandard keine große Rollen, denn selbst Niedrigenergiehäuser haben im Vergleich zu Altbauten nur 1/5 an Energieeinsparung bei der Gebäudelüftung, sofern keine besonderen Maßnahmen getroffen werden.

Im Normalfall werden Lüftungswärmeverluste mit Wärmerückgewinnungssystemen vermieden. Bei solaren Luftsystemen funktioniert dies anders. Hier werden die Lüftungswärmeverluste von Gebäuden mit solarer Wärme ausgeglichen.


Temperaturniveau und Energieeffizienz

Luftkollektoranlagen arbeiten mit vergleichsweise niedrigen Temperaturen, da die Kollektortemperatur lediglich über der Raumtemperatur im Gebäude liegen muss. Wird die Frischluft vorgewärmt umd dem Gebäude zugeführt, sind solare Lufterhitzer bereits bei geringer Sonneneinstrahlung wirksam.

Dies stellt einen großen Vorteil gegenüber gewöhnlichen Kollektoranlagen dar, da diese im Normalfall Temperaturen von 30-55° benötigen.


Systeme und Anwendung

Um ein solares Luftsystem zu benutzen werden ausreichend große und günstig orientierte Flächen benötigt. Der Unterschied von konventionellen und solaren Luftsystemen ist dabei gering, da die Komponenten sich meißt stark ähneln. Dies bedeutet zugleich, dass konventionelle Systeme auch im Zuge einer Sanierung in solare Luftsysteme umgewandelt werden können.

Bei Altbauten ist der Einbau jedoch mit einem hohen Planungsaufwand verbunden.


Lüftungssysteme

Systemvarianten

Ähnlich konventioneller Lüftungs- und Klimasysteme kann auch eine solare Luftanlage konzipiert werden. Die wohl wichtigste Variante ist die Zulufterwärmung, die im Frischluft- oder Umluftbetrieb möglich ist.

Eine weitere Variante stellt eine Hypokausten- oder Murokaustensystem dar, mit dem der Boden oder die Wände von Gebäuden beheizt werden können. Der Vorteil dieses Systemes ist, dass eine zeitversetzte Wärmeabgabe ermöglicht wird.

solare Frischlufterwärmung

Systemskizze solare Frischlufterwärmung

Die Luftkollektoren oder solare Absorber können direkt an die Frischluftansaugung angeschlossen werden. Die erwärmte Luft wird dabei entweder permanent oder mittels Klappensteuerung im Bedarfsfall durch den Kollektor geführt. Sind die Kollektoren in die Fassade integriert können diese zur Rückgewinnung von Wärmeverlusten der dahinterliegenden Wände genutzt werden.

Der Nachteil eines derartigen Systems liegt darin, dass die Frischluftzufuhr durch die Klappen begrenzt ist, und die Leistung der Kollektoren nicht voll genutzt werden kann.

Solare Umlufterwärmung

Werden Gebäude mit einer Mischung aus Um- und Frischluft gespeist, kann der Solarkollektor in den Abluftkreis integriert werden. Der Frischluft wird dabei mit der Umluft vermischt und dem Kollektor zugeführt. Diese Mischung muss nur mehr um kleine Differenzen erwärmt werden, weshalb der Energienutzungsgrad relativ hoch liegt. (Siehe Bild Frischlufterwärmung)

Hypokaustenheizung

Luftheizsystem mit Hypo- und Murokausten

Bei der Hypokaustenheizung sind die Luftkreisläufe von Raumluft und Solarluft getrennt. Die Heizung der Räume erfolgt entweder über den Boden odern die Wände (Murokausten). Dieses System kann aber auch evtl. erweitert werden, indem die von den Kollektoren erhitzte Luft nachdem sie den Boden bzw. die Mauern passiert hat, anschließend noch in den Raum geleitet wird. Bei einer geschickten Auslegung werden zusätzliche Luftpumpen überflüssig, da durch die aufsteigende Luft in den Kollektoren die Zirkulation gewährleistet wird.


Hypokausten sind vor allem aufgrund ihrer Raumnahen Temperatureigenschaft gut geeignet. Es entsteht ein angenehmes Klima ohne große Luftströme in Räumen auszulösen. Bei den Hypokaustenheizsystemen fungiert die Gebäudemasse als Wärmespeicher.


Speicherelemente gibt es in verschiedenen Ausführungen. So können Gesteinsspeicher (Rockbed), massive Wände, Kamine und Trombewände verwendet werden. Es ist aber auch möglich Hypokausten bzw. Murokausten durch einfaches vergießen von Rohrregistern in Betonwänden zu erzeugen. Dabei muss auf die konstruktive Ausführung als auch auf eine gleichmäßige Durchströmung geachtet werden.

Kollektoren

Luftkollektor


Die Kollektoren stellen das zentrale Element bei solaren Luftheizungen dar. Hersteller sind unter anderem Grammer, Schüco und Solarwall. In der Regel bestehen die Kollektoren aus Glas. Die verschiedenen Systeme haben noch keine einheitliche Vergleichswerte. Der Wirkungsgrad ist aber von drei Faktoren abhängig: vom Absorbtionsgrad der Sonneneinstrahlung, vom Wärmeübergang und von den Wärmeverlusten im Kollektor.


Es gibt mittlerweile mehrere Systeme, die jeweils versuchen einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen. Dabei spielt auch die Art der Verwendung eine Rolle, so dienen Kollektoren die die Luftführung zwischen Scheibe und Absorber haben vor allem zur Erwärmung von Frischluft.

Verwendet werden vor allem unterströmte Absorber.

Zur Zwischenspeicherung der Energie werden vor allem Gesteinsspeicher, Hypo- und Murokausten oder Kanäle benutzt. Bei den Hypo- und Murokausten werden diese in Beton vergossen.

kombinierte Systeme

Kombination Photovoltaikanlage mit Luftkollektor


Photovoltaikanlagen wandeln nur ca 7-15% der Sonnenenergie in Strom um. Der Rest wird in Wärme umgewandelt. Die Restwärme erhitzt die Voltaikanlagen und senkt somit auch teilweise den elektrischen Ertrag. Kombiniert man ein derartiges System mit einer solaren Luftheizung hat man zum einen einen Wärmegewinn für die Belüftung und Erwärmung von Räumen und zum anderen eine Kühlung der Photovoltaikanlagen. Es wurden bereits einige Gebäude mit solchen Solarmodulen realisiert, wobei das Hauptaugenmerk bei solchen Systemen immer noch auf der Stromerzeugung liegt, und die solare Wärme ein nützliches Nebenprodukt darstellt. Die Kombination bietet sich auch deshalb an, da Photovoltaikanlagen oft vom Staat gefördert werden.

Zusatznutzung

Während des Sommers werden Luftheizsysteme nicht benötigt. Lediglich die Lüftung stellt noch eine Aufgabe dar. Deshalb bietet sich ein solares Luftsystem an, die gewonnene Energie zur Erhitzung von Warmwasser zu nutzen. Dies benötigt eine Erweiterung der Anlage um einen Luft-Wärmetauscher.

Eine weitere Funktion, die ein solares Luftsystem während des Sommers übernehmen kann ist die Kühlung. Diese kann bei entsprechender parallelen Schaltung in Kombination mit einem Erdwärmespeicher erfolgen. Dabei wird einfach die Wärmezufuhr des Kollektors durch die Zufuhr des Erdwärmetauschers ersetzt.

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Quellen

Baunetzwissen - solare Luftsysteme (Abgerufen: 05. November 2008, 08:15 UTC)

Bine - Informationsdienst (Abgerufen: 08. November 2008, 13:41 UTC)

Grammer Solarluft - Kollektorenhersteller (Abgerufen: 08. November 2008, 15:12 UTC)

Schüco Kollektorenhersteller (Abgerufen: 10. November 2008, 09:16 UTC)

Solarwall Herstellerseite


PDF Projektbeispiel Uniklinikum Freiburg



Grundwasserenergiespeicher

Grundwasserenergiespeicher

Ein Grundwasserenergiespeicher ist ein System welches sich natürlich vorkommende Grundwasserschichten als Energiespeicher zu nutze macht. Dabei wird während eines Energieüberangebotes (Sommer) Energie dem Grundwasser beigeführt, und während eines Energiemangels (Winter), Energie entzogen. Die dabei genutzten Grundwasserschichten liegen dabei meißt in Tiefen unterhalb von hundert Metern, da oberflächennahe Schichten eher der Trinkwasserversorgung vorbehalten sind.

Grundwasser- oder Aquiferspeicher bestehen in der Regel aus zwei Bohrungen, die denselben Grundwasserleiter erschließen. Sie werden dabei in einem Abstand von ca 50 bis 300 Metern angeordnet, weshalb sie für einzelne Wohnhäuser nicht realisierbar sind. Vielmehr bieten sich solche Anlagen für Gebäudegruppen und Großanlagen an. Beide Bohrungen sind mit Pumpen und einem Injektionsstrang ausgestattet. An der Oberfläche befindet sich ein Wärmetauscher welcher erst das einlagern und entnehmen der Energie ermöglicht. Der Kreislauf funktioniert so, dass im Sommer Wasser der "kalten" Seite erwärmt wird und in die "warme" Seite injeziert wird. Im Sommer wird dieser Prozess dann umgekehrt.


Hydrogeologische Anforderungen

Jedwede Aquiferspeicheranlage muss vorher wasserrechtlich genehmigt werden. Desweiteren müssen Schichtenabfolge, Lage und Neigung des Aquiferspeichers, die hydraulische Durchlässigkeit des Untergrundes und die Beschaffenheit des Bodens geklärt werden.


Beispiele

Aquiferspeicher wurden bereits mehrfach in Nordeuropa errichtet. In Deutschland gibt es bisher nur wenige Referenzprojekte. Das bisher wohl größte stellt das Energiekonzept Spreebogen dar. Es umfasst neben dem Reichtagsgebäude und dem Bundeskanzleramt die benachbarten Parlamentsgebäude und diverse Sitzungsräume. Die dabei erzielte Energieabdeckung betrug 2003 82% des benötigten Stroms und 90% der jährlichen Heizwärme, sowie damit verbunden 60% des sommerlichen Bedarfes der Gebäudekühlung.

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Quellen

Thema Energie

Aquiferspeicher Reichtagsgebäude

Wikipedia Artikel zu Aquiferen allgemein



Kapillarrohrmatten

Einbau in Decke

Kapillarrohrmatten stellen eine moderne Entwicklung herkömmlicher Heiz- und Kühlsysteme dar. Die Temperierung erfolgt dabei über großflächig verlegte Matten. Die Anwendung von Kapillarrohrmatten bietet zwei große Vorteile, da solche Systeme einen hohen Anteil an Strahlungswärme haben und zudem mit Energien nahe der Raumtemperatur arbeiten können. So werden zum Heizen Temperaturen zwischen 26-29 Grad benötigt während zum Kühlen Temperaturen zwischen 16-20 Grad ausreichen.

Die Erfindung von Kapillarrohrmatten liegt zwar schon zwanzig Jahre zurück, jedoch wurde erst durch jüngste Fortschritte in Forschung und Systemen eine Praxisreife erreicht, die sowohl zum Kühlen als auch zum Heizen verwendet werden kann.

Für den Gebrauch im Bau existieren zudem bereits verschiedene Baukastensysteme. Außerdem findet man zusätzlich Planungs- und Berechnungsbeispiele. Die Ausführung ist weitgehend frei, da es bereits eine gewisse Vielfalt an Produkten gibt. So gibt es neben Kühl- bzw. Heizdecken noch viele Varianten (Segel, Wände, Stoffsegel mit integrierten Matten, Säulen und Schächte).

Ein besonderer Vorteil von Kapillarrohrmatten ist, dass sie durch die geringe Aufbauhöhe auch in Altbauten problemlos integriert werden können, und so die Gebäude vor Bauschäden durch Feuchtigkeit effizient schützen.


Klimatisierung und Behaglichkeit

Beispiel Regelungschema

Das Wärmeempfinden des Menschen wird durch verschiedene Faktoren beeinflusst. So spielen neben der Lufttemperatur auch Oberflächentemperatur, vertikale Temperaturunterschiede, Zugluft, etc. eine Rolle. Ideale Raumklimatische Bedingungen wurden im Zuge einer Forschungsstudie (SANIREV) nur durch Flächenheiz- bzw. Kühlsysteme erzielt. D Die Flächensysteme werden dabei meist in Form einer Bauteilaktivierung eingebaut. Bei einer Zweiflächenbauteilaktivierung wird dabei ein aktives schnell reagierendes System(z.B. Fußbodenfläche) mit einem passiven, jedoch viel Energie speicherndem, System (z.B. Speicherkühldecke) kombiniert. So können schnelle Regelungen genauso wie stabile Bedingungen erzielt werden. Natürlich ist auch eine Kombination von zwei aktiven Systemen vorstellbar und bringt besonders in Räumen mit wechselnder Energielast (z.B. Büros) Vorteile zu passiven Systemen. Der Unterschied zwischen passiven und aktiven Systemen besteht im Allgemeinen in der Reaktionsgeschwindigkeit und der Energiespeicherung. Passive Systeme reagieren träge, geben aber langsamer und über eine längere Zeit die Energie ab während aktive Systeme schnell reagieren aber auch relativ rasch die Energie abgegeben haben.


Produkte

Inzwischen gibt es neben einer hohen Systemvielfalt auch eine große Produktvielfalt. Durch die geringe Bauteilhöhe die durch Kapillarrohrmatten entsteht sind auch die Anwendungen vielfältig und die Produkte dementsprechend angepasst:

  • Metalldecken oder Gipskartondecken mit aufgeklebten Kapillarrohrmatten (bereits wieder veraltet)
  • Blähgas- oder Dekorglasplatten mit integrierten Kunststoffkapillarrohrmatten
  • Wärmeleitpaneele aus Alustranggussprofilen
  • freigespannte Kapillarrohrmatten
  • thermisch aktivierte Holzpaneele

Der raumtemperaturnahe Betrieb erlaubt es zudem die Systeme mit Solaren Heizsystemen zu kombinieren womit sie für Niedrigenergiehäuser an Attraktivität gewinnen. Kapillarrohrmatten sind umweltfreundlich, langzeitstabil und recycelbar. Sie erweitern die Möglichkeiten der Bauteilaktivierung und reduzieren Trägheitseffekte. Bei einem multivalenten Einbau sind sie zudem höchst wirtschaftlich.

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Quellen

Clina Herstellerlink

Schleifenbaum



Klimatisierung mit wässriger Salzlösung

Klimaanlagen stellen einen immer höheren Posten in der Energiebilanz von Gebäuden. Vor allem in Bürogebäuden übersteigen die Klimatisierungskosten bereits vermehrt die Heizkosten. Dies liegt oft vor allem an einer nicht mehr zeitgemäßen Anlagentechnik. Momentan beherrschen Kompressionskältemaschinen den Markt, diese sind zwar relativ günstig aber nicht sehr energieeffizient. Eine attraktive Alternative stellen Klimaanlagen mit wässriger Salzlösung dar. Diese Anlagen entziehen der von Außen zugeführten Luft die Feuchtigkeit wodurch diese über die Verdunstung abkühlt. Zusätzlich können solche Klimaanlagen ohne Probleme mit solaren Systemen kombiniert werden. Im Moment gibt es aber erst wenige Beispiele von derartigen Systemen. Hochrechnungen aber zu Folge könnte der Klimatisierungsenergieverbrauch im Sommer durch derartige Konzepte um die Hälfte verringert werden (Stand 2008).


Energieaufwand für Klimatisierung

Klimaanlagen müssen nach bestimmten Grundregeln funktionieren um eine gewisse Behaglichkeit im Raum zu erzeugen. Dies sind im Allgemeinen festgelegte Richtwerte. So werden Temperaturen zwischen 20 und 24 Grad, bei einer relativen Luftfeuchte von 30 bis 60% als angenehm empfunden. Dies bedeutet für Klimaanlagen, dass sie der warmen Außenluft neben der Temperatur auch Feuchtigkeit entziehen müssen. Vergleicht man nun den Energieaufwand für die Entfeuchtung mit dem Energieaufwand für die Kühlung so liegt der Wert für die Entfeuchtung meist höher. Dies macht wiederum das System der sorptionsgestützen Klimatisierung, also z.B. mit einer wässrigen Salzlösung sinnvoll.


Klimatisierung durch Sorption

Prinzipiell gibt es zwei Methoden zur sorptionsgestützen Klimatisierung. Zum einen durch ein mechanisches Trocknungsrad welches die Luft abkühlt und zum anderen ein Flüssigkeitsgestütztes Sorptionsverfahren. Das mechanische Verfahren hat zum Nachteil, dass Entfeuchtung und Regeneration der Luft gekoppelt sind, d.h. dass es zu Geruchsbelästigungen kommt. Beim Verfahren mit flüssigen Sorptionsmitteln sind diese Nachteile nicht vorhanden. Derartige Systeme befinden sich aber immer noch erst in einer Experimentierphase.

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Warme feuchte Luft wird in die Absorptionseinheit geleitet. Dort strömt sie an mit konzentrierter Salzlösung benetzen Füllkörpern vorbei und gibt dadurch Feuchtigkeit ab. Die nun trockene Luft wird im nächsten Schritt in der Zentraleinheit abgekühlt und gelangt dann in das Gebäude. Die verdünnte Salzlösung gibt die bei der Wasseraufnahme gespeicherte Energie in einem Wärmetauscher an Umlaufwasser ab, das wiederum gekühlt wird und somit der Wasserkreislauf geschlossen wird. Der durch die Luft erzeugte Wasserüberschuss kann über einen solar gekoppelten Regenerator abtransportiert werden womit wieder eine konzentrierte Sole entsteht. Die Abluft wird im Wärmeübertrager mit Wasser besprüht um die Temperatur der Abluft wiederum zu senken. Dies geschieht deshalb, weil die Abluft ihrerseits nun wieder die Zuluft durch die Verdunstung abkühlen kann.


Ausblick

Versuchsanordnungen haben bereits gezeigt, dass Systeme mit wässriger Salzlösung funktionieren können und effizienter arbeiten als herkömmliche Kompressionsanlagen. Die Kombination mit solaren Anlagen erweist sich außerdem als überaus vernünftig, da an heißen Tagen in der Regel auch genug Sonnenenergie erzeugt wird, und so Verbrauchsspitzen vermieden werden. Außerdem gibt es Möglichkeiten überschüssige Energie in konzentrierter Salzlösung zu speichern und bei Bedarf wieder frei zu setzen. Diese Speicherung ist mit einem gegen Null gehenden Verlust von Energie verbunden. Zusätzlich besteht der Vorteil, dass es zu keiner Geruchsbelästigung kommt, da das Salz Gerüche bindet.

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Quellen

Innovations-Report.de

Projektinfo



Latenzwärmespeicher

Eis war das erste Latenzmedium welches zum Kühlen verwendet wurde


Wärmespeicher sind ein immer wichtigeres Thema für energieeffizientes Bauen. Besonders Orte mit einem über den Tagesverlauf unterschiedlichem Energieangebot haben ein hohes Energiespeicherbedürfnis. Besonders Solarenergie oder Abwärme eignen sich in solche Speicher aufgenommen zu werden, da sie über einen zeitlich begrenzten Rahmen Energie produzieren.


Das Hauptaugenmerk liegt also darauf, dass Energieabgabe kontrolliert gesteuert werden kann, man also den Zeitpunkt des Wärmeverlustes selbst bestimmt. In den letzten zehn Jahren gab es einen großen Entwicklungsschub in der Materialtechnik. Lediglich die praktische Anwendung hinkt (teilweise) noch ihren Möglichkeiten hinterher.



Funktionsweise

Verhalten eines Latenzwärmespeichers

Latenzwärmespeicher zeichnen sich dadurch aus, dass sie Energie über Bindungen aufnehmen können. Sie also die Energie der Aggregatzustände für sich nutzen. Dies hat den Vorteil gegenüber anderen Speicherarten, dass dieselbe Menge Energie mit einer geringeren Temperatur im Medium gespeichert werden kann. Diese Speichermethode kennt man zum Beispiel von Wärmekissen. Diese Energiespeicherart hat mehrere Vorteile. So kann man innerhalb eines relativ geringen Temperaturbereiches hohe Mengen an Energie speichern (dabei ist es egal ob Wärme oder Kälte gespeichert wird). Zusätzlich kann man durch den Phasenübergang zeitlich steuern, wodurch man Temperaturschwankungen ausgleichen kann und Spitzen im Energiebedarf und Abgabe vermeiden kann. Um das Potential von Latenzwärmespeichern zu verdeutlichen kann man ein einfaches Beispiel mit Wasser verwenden: Um Eis von 0°C in Wasser mit gleicher Temperatur zu schmelzen braucht es ungefähr gleich viel Energie wie Wasser von 0°C auf eine Temperatur von 80°C zu erhitzen. Um Wasser schließlich in Wasserdampf überzuführen braucht es sogar 5,4mal so viel Energie wie nötig ist Wasser von 0°C auf 100°C zu erhitzen. In der Energiebilanz bedeutet dies, dass ca. dreiviertel der Energie in Latenzenergie umgewandelt wird.

PCM – Speichermedien

Wasser wird vermehrt in Kombination mit Zusätzen als PCM (Phase Change Material – latenzenergiespeicherndes Material) verwendet. Diese Zusätze verhindern bzw. verringern z.B. dass sich das Wasser wenn es gefriert ausdehnt. Außerdem verschieben sie den Punkt an dem Wasser gefriert. Es gibt für die jeweiligen Temperaturbereiche verschiedene Zusätze (siehe Grafik). Neben Wasser werden auch Paraffine verwendet. Sie haben den Vorteil, dass sie chemisch reaktionsträge sind und so vielfältig angewandt werden können. Jedoch können sie nicht so viel Energie wie vergleichbare Speicher mit Wasser aufnehmen. Für hohe Temperaturen (90-180°C) werden zurzeit Zuckeralkohole getestet. Neben PCM Materialien die auf Basis des fest-flüssig Übergangs arbeiten gibt es auch Stoffe die einen Phasenübergang zwischen fest-fest besitzen. Jedoch besitzen sie eine vergleichsweise geringe Energiedichte und sind so zurzeit noch nicht praktisch anwendbar.

Wirtschaftlichkeit

PCM- Produkte werden momentan noch in sehr geringem Rahmen für Energieeinsparung eingesetzt. Das Hauptaugenmerk liegt momentan mehr auf einer Temperaturregulierung (Energie zu bestimmten Zeitpunkten freizusetzen) als in einer Energieeinsparung. Dies hat den Grund, dass Latenzwärmespeicher um kostensparend zu sein viele Zyklen durchwandern müssen (bei typischem PCM Material bis zu 200). Anwendungen sind deshalb noch eher in Bereichen außerhalb des Bauwesens zu finden. Jedoch gab es bereits einige Anwendungsversuche. So wurde die Abwärme-Energie des Industrieparks Höchst zum Heizen eines zwanzig Kilometer entfernten Verwaltungsgebäudes(mit einer Fläche von 25000m²) verwendet. Hier wurde ein mobiler Energiespeichertank verwendet, der eine Gesamtkapazität von ca. 3,5 MWh besitzt. Die Energie wird dabei über einen Ölkreislauf ein- und abgeleitet.

Anwendung in Gebäuden

Für Gebäude stellen PCM Materialien vor allem im Leichtbau eine Perspektive dar. Momentan wird vor allem die Entwicklung von Phasenwechselmaterialien vorangetrieben. Diese können zur Wärmekapazitätserhöhung von Gebäuden benutzt werden, welches eines der größten Mankos des Leichtbaues ist. In Simulationen wurde bereits gezeigt, dass die Maximaltemperatur um 2°C gesenkt werden kann, wenn in die Wand PCM Materialien integriert werden. An Materialien forschen momentan mehrere Firmen und Forschungsanstalten. Darunter sind unter anderem BASF, Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE), DAW, Maxit, Knauf, etc.

Phasenwechselmaterialien

Micronal Bauplatte aus Gips und PCM Mischung
Inglas Prismaglas mit Latenzwärmespeicher

Prinzipiell kann man zwischen 3 Anwendungen unterscheiden: so werden PCM in Wänden oder Decken (z.B. als Putz), in Gebäudekomponenten (Fassaden), oder als Wärme- bzw. Kältespeicher verwendet. Die beiden ersten Anwendungen sind dabei passive Systeme welche Energie automatisch abgeben. Ein Beispiel für eine Verwendung ist z.B. eine Fußbodenheizung. Hier können bis zu 50% der Schichtdicke von Estrich eingespart werden. Außerdem vermeiden PCM- Heizsysteme Hitzespitzen bei der Heizung indem sie die Energie gleichmäßiger abgeben. Ein weiterer Anwendungsbereich besteht bei Fassadenelementen zum Einfangen von Licht bzw. die Absorption von Wärme und einem Überhitzungsschutz. Sonnenlicht wird dabei absorbiert und zum Schmelzen eines PCM verwendet. Dabei bleibt die Energie bei 27°C konstant bis der gesamte PCM geschmolzen ist. Die in etwa 4cm dicke Schicht aus PCM speichert dabei in etwa gleich viel Energie wie eine 30cm dicke Ziegelwand bei 50°C. In der Nacht kühlt das Element nicht ab, sondern wandelt sich lediglich wieder von flüssig in fest um. Eine Überhitzung wird durch eine Prisma-Glasschicht verhindert, die Lichtstrahlen in einem Winkel über 40° reflektiert. Die Elemente sind transluzent und ihr Transmissionsgrad steigt mit zunehmender Temperatur.

Sonnenschutz - PCM Verbundsystem

Sonnenschutzsysteme im Gebäudeinneren haben zum Vorteil, dass sie relativ einfach zu reinigen sind und nicht so viel kosten. Bei starker Sonneneinstrahlung haben sie aber auch den Effekt einer solaren Heizung. Um diesen negativen Effekt zu verhindern können PCM Materialen eingebracht werden. So erhitzt sich die Schutzvorrichtung bei gleicher Strahlung weniger stark wie ein herkömmliches System. Mit derartigen Systemen ist die Hinauszögerung der Erhitzung um bis zu sieben Stunden möglich. Für Büroräume wäre dieser Zeitraum ausreichend um ein Ansteigen der Temperatur auf Zeiten zu verschieben, in denen die Räume nicht mehr genutzt werden. Gekühlt werden die Sonnenschutzsysteme dann wieder in der Nacht.

Nachtkälteklimatisierung

Mit Latenzspeichern können auch Räume klimatisiert werden. Ein Kältespeicher nutzt nachts die niedrigeren Temperaturen der Luft um die Kälte aufzunehmen. Da der Temperaturunterschied zwischen Tages- und Nachtluft sich nur im kleinen Bereich bewegt, sind PCM Speicher prädestiniert. Dies ist derselbe Effekt wie bei den in den Bauteilen eingebrachten PCM. Jedoch bietet sich auch die Speicherung an wenn höhere Kapazitäten gefordert sind. Außerdem kann das Laden und Entladen gesteuert erfolgen. Energie muss lediglich für den Ventilator aufgebracht werden. Als Nachteil steht dagegen wieder der Platzbedarf für den Speicher. Momentan gibt es erst experimentelle Produkte die den Temperaturbereich zwischen 22°C und 26°C abdecken. Jedoch sollten diese in den nächsten Jahren anwendungsreif sein.


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Quellen

Gemeinschaft der PCM Material Erzeuger

emcoKlima - Firmenhomepage

Rubitherm - Firmenhomepage

Doerken - Firmenhomepage

SGL Group Firmenhomepage

BASF micronal - Firmenhomepage

Video Micronal

Phase Change Research

BASF Micronal Video (englisch)

Persönliche Werkzeuge