DE19963323A1

DE19963323A1 - Bodenheizung

Info

Publication number: DE19963323A1
Application number: DE19963323A
Authority: DE
Inventors: Helmut Stach; Kurt Winkler; Eveline Weiler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-12-21
Filing date: 1999-12-21
Publication date: 2001-06-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine wärmespeichernde Bodenheizung, beispielsweise eine Fußbodenheizung, die nach dem thermochemischen Sorptionsprinzip arbeitet, wobei die Wärme- und Strömungsführung verbessert wird und die Heizungsführung mit der Arbeitsmittelführung verbunden ist. DOLLAR A Erfindungsgemäß besteht die wärmespeichernde Bodenheizung 1 vorteilhaft aus einer Tragschicht 2, in der sich die Heizführungen 3; 3' befinden, die gemäß einer Querrichtung in den aus den Beulungen gebildeten Sattelpunkten verlaufen, von den Dichtschichten 4; 4' und den seitlichen Dichtschichten 4'' hermetisch umschlossen, wobei die Grundschicht 6 als auch die Seitenflächen in ihren Querausdehnungen mit den seitlichen Dichtschichten 4'' mit der Isolierschicht 7 umgeben sind, die Speichermasse 9 sich zwischen der Grundschicht 6 und der Deckschicht 5 jeweils zu beiden Seiten der Tragschicht 2 befindet und die Deckschicht 5 mit der Verschleißschicht 8 ausgestattet ist. DOLLAR A Weitere Einsatzgebiete betreffen die Bau- und Gebäudetechnik unter Einbeziehung in gestaltende Eindeckungs- und Fassadenelemente, die gleichzeitig zur Speicherung von zugeführter Wärme und Bereitstellung von Nutzwärme dienen.

Description

Die Erfindung betrifft eine wärmespeichernde Bodenheizung, die nach dem thermochemischen Sorptionsprinzip arbeitet und mit einer Heizungsführung und mit einer Arbeitsmittelführung inner halb einer sorbierenden Speichermasse versehen ist.

Sie kann als Speicher für hochwertige Wärmeenergie überall dort verwendet werden, wo kurzfristig Nutzwärmen gespeichert und bereitgestellt werden müssen, wobei die Lastwechselperioden zwi schen Lade- und Entladezustand ohne diffusen Temperaturverlauf möglichst stufenartig und schnell erfolgen sollen.

Weit verbreitet sind flächenartige Heizsysteme, die über Heizleitungen von einem erwärmten fluiden Medium durchströmt wer den und die Wärme an ihre Umgebung abgeben. Dabei bestehen Boden heizungen vor allem aus wärmeisolierenden Dämmschichten, um Heiz rohrschlangen innerhalb nockenartiger Höckerstrukturen zur Erhö hung ihrer Lastaufnahmefähigkeit unterzubringen (vgl. hierzu DE 40 26 412) und die auch schichtweise aufgebaut sind (siehe DE 41 26 188). Einzelne Rohre werden, die Heizwärme leitend, mitein ander verbunden und auch in übereinander liegenden Schichten un tergebracht (DE 36 43 668, DE 38 08 773). Sie können gleichzeitig einer Wärmespeicherung dienen, wobei das schlechte Wärmeleitver mögen keramischer Isolierstoffe ausgenutzt wird.

Es sind ebenfalls flächige Heizungen bekannt, bei denen elektrischer Strom durch leitfähige Widerstands-Heizleiter ge schickt wird, wodurch sich die Heizleiter erwärmen, die in iso lierenden Schichten, die Wärme abgebend, untergebracht sind (DE 41 26 188). Eine schlechte Wärmeverteilung kommt oft dadurch zustande, daß die parallel angeordneten Heizleiter keinen engen Toleranzbereich aufweisen.

In vielen Fällen sind Kombinationen beider wärmeliefernder Prinzipien erwünscht, um unterschiedlich erzeugte Energieformen auszunutzen, die günstig für verschiedene zeitliche Nutzungsperi oden bereitgestellt werden können.

Die Speicherstoffe sind passiv und erfordern oft zusätzliche Speichermedien, die im Nachlauf die Wärme verzögert abgeben. So genannte Latentwärmespeicher, die eine Wärmeaufnahme oder -abgabe durch Phasenumwandlungen der Speichermedien und eine hohe Raum ausnutzung (DE 41 33 360) erzielen, sind ebenfalls passiv und ge ben die Wärme verzögert ab. Sie sind schlecht zu regulieren, er fordern oft eine Einleitung des Prozesses über komplizierte Startvorrichtungen, die nicht gleichmäßig über die Fläche ver teilt sein können und die, sich dann selbst überlassen, uner wünschte Kristallisationsvorgänge auslösen.

Es ist ebenfalls eine Anzahl von Lösungen zur Speicherung von Wärmeenergie (EP 0 091 095 und DE 44 95 0) oder auch Speiche rung von Kältemitteln (DE-PS 27 20 561 und DE-PS 30 06 733) nach dem Sorptionsprinzip vor allem für Niedertemperaturwärmen durch Adsorptions-Desorptionszyklen bekannt. In der wissenschaftlichen Literatur, wie z. B. Passos u. a.: "Simulation of an Intermittend Adsorptive Cooling system" in Solar Energy 42 (1989) 103, oder Lävemann u. a. "Klimatisierung und Energiespeicherung über Sorp tion" in Internat. Sonnenforum 1992, Berlin, DGS-Verlag München 1992, werden die Eigenschaften sorptiv wirkender Speicher aus führlich beschrieben.

Bekannt sind gleichfalls Vorrichtungen und Verfahren zur Be treibung von reversiblen Sorptionsprozessen in Wärmespeichervor richtungen, die aus Kammern bestehen und mit einem Adsorberfest stoff gefüllt sind, an einer ihrer Seiten oder beidseitig über einen gemeinsamen Dampfraum periodisch wechselnd mit Verdampfern und Kondensatoren kommunizieren und über Kammerzwischenwände wechselnd mit einem kühlenden und heizenden Wärmeträgermedium in Wärmeaustausch treten (z. B. DE 33 24 745). Es ist vorgesehen, daß die Zwischenwände selbst als das Wärmetauschermedium führende Wände oder Leitungen ausgeführt sind, wobei zusätzlich angebrach te Flächen für den Wärmekontakt wenigstens den überwiegenden Teil des Wärmeflusses zwischen den Kammern übernehmen und dem Wärme trägermedium zuführen. Die Vorrichtungen gestatten bereits einen geregelten periodisch-alternierenden Lastwechsel bei der Übertra gung von Nutzwärme an einen Verbraucher, indem ein zeitlich und räumlich ablaufender Adsorptions-Desorptionswechsel unter hoher Wärmetönung erreicht wird. Aufgrund mäßiger Wärmeübertragung in einer Querrichtung durch die nur schlecht wärmeleitenden silika tischen Feststoff-Sorbentien erreichen sie jedoch nur unbefriedi gende thermische Wirkungsgrade. Zu deren Erhöhung kann der Desorptionsvorgang durch Anlegen eines Vakuums unterstützt werden (DE 36 04 910).

Wärmespeicher aus mit innenliegend integrierten wärmespei chernden, aus mikroporösen Materialien bestehenden Innenräumen, sind in mehreren Ausführungen bekannt. Grundsätzlich sind die Vorrichtungen, die hohe Speicherleistungen erreichen, so ausge staltet, daß die zu speichernde Wärmeenergie verlustarm in den Innenraum eintritt, wobei die Wärme mit hohem Wirkungsgrad an das den Innenraum durchströmende Wärmeträgermedium übertragen und möglichst nicht irreversibel wieder an die Umgebung abgegeben wird (z. B. DE 34 18 005, DE 36 43 668). Voraussetzung für die Funktion und gleichzeitig Konstruktionsprinzip einer derartigen Speichervorrichtung ist, daß

- der pro Flächeneinheit erzielbare Wärmeumsatz maximal ist,
- das umbaute Volumen des innenliegenden Wärmespeichers auf ein hohes Temperaturniveau gehoben wird, vakuumfest und wärmeiso liert ist,
- gleichzeitig ein optimales Verhältnis von Wärmeübertragungsflä che zum Speichervolumen für das Erreichen einer hohen Energie speicherdichte eingestellt wird, und
- die Wärmeführung in einer Längs- und in den Querrichtungen so gestaltet ist, daß sich ausbildende Temperaturgradienten schnell ausgleichen.

Diesen Anforderungen entsprechen die bekannten Bodenheizun gen noch nicht in ausreichendem Maße. Gemeinsam nachteilig ist ihnen sowie den Verfahren zur Zuführung von Wärmeenergie, zur Um setzung periodischer Wärmeflüsse in ein optimal großes Wärmespei chervermögen und dessen Umsetzung in hohe Energienutzungsleistun gen mittels des Wärmeträgers, daß vor allem bei Vergrößerung des Maßstabs in einer der geometrischen Hauptausdehnungen, als Folge beim Lastwechsel zeitliche Zwischenperioden auftreten, in denen der Temperaturhub nicht überwiegend stufenartig erfolgt und ört lich diffus ist. Das technische Problem besteht insbesondere dar in, daß in einer möglichst dicht gepackten und komplizierten Lei tungsführung für Wärmeträger- und Sorptionsmittel noch nicht aus reichend kurze Strecken für den Ausgleich von Sorptionsstoff- und Wärmegradienten einstellbar sind. Durch größere Kornabmessungen und durch die Porengeometrie des Sorptionsmittels wird das Diffu sionsvermögen des Arbeitsmittels eingeschränkt. Außerdem besit zen die Strukturen des Sorptionsmittels ein schlechtes Wärmeleit vermögen.

Aufgabe der Erfindung ist die Entwicklung einer wärmespei chernden Bodenheizung nach dem Sorptionsprinzip,

- die bei einfachem konstruktiven, paketartigen Aufbau ein erhöh tes Wärmeleitvermögen ihrer Bauelemente aufweist und eine Ver größerung des Maßstabs in einer Längsausdehnungs- und den Quer ausdehnungsrichtungen ermöglicht,
- bei der bevorzugt in einer Längsrichtung, aber auch in den Querrichtungen in der jeweiligen Adsorptions- oder Desorptions periode ein erhöhter Stoff- und Wärmeausgleich erfolgt,
- die eine angenähert stufenförmig-sprungartige Temperaturände rung durch schnellen Wärmeübergang auch in den Zwischenperioden des Lastwechsels erreichbar macht,
- und bei der eine gesonderte Leitungsführung für das Heizmittel überflüssig ist.

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß die Fußboden heizung aus einer lastaufnehmenden Tragschicht besteht, die so profiliert ist, daß zu beiden Seiten dieser Schicht ein granu liertes, sorptiv wirkendes und wärmespeicherndes Material einge bracht werden kann. Bevorzugt wird als Sorptionsmittel ein Zeo lith verwendet, wobei das Arbeitsmedium Wasserdampf oder mit Was serdampf gesättigte Luft ist. Das Arbeitsmittel wird über Leitun gen geführt, die einseitig oder zu beiden Seiten der Tragschicht in diagonal oder rechtwinklig zu einer Deckfläche und einer Grundfläche gerichteten Seitenflächen verlaufen. Die sorptiv wir kende Schicht ist mit einer für Wasserdampf undurchlässigen Iso lierschicht umgeben. Die elektrischen Heizleitungen sind mit den Leitungen für das Arbeitsmittel besonders vorteilhaft in Form von Heizführungen vereinigt. Die Isolierschicht soll vakuumdicht sein, so daß bei einer Evakuierung der Bodenheizung mit einer kleinen Vakuumpumpe die Desorptionstemperatur für das Arbeitsmit tel abgesenkt werden kann.

In Schwachlastperioden der elektrischen Versorgung wird die Heizung an das Stromnetz angeschlossen und beispielsweise mit preiswertem Nachtstrom geheizt. Mit dem gleichen Strom kann wäh rend dieses Ladungsvorganges die Vakuumpumpe ohne wesentlich ge stiegenen elektrischen Mehraufwand an Strom betrieben werden. Das Sorptionsmittel wird mittels fühlbarer Wärme getrocknet, gleich zeitig das bereits adsorbierte Arbeitsmittel über eine anteilige Zuführung der Desorptionswärme desorbiert. Im Ergebnis ist der Wärmespeicher geladen und steht für eine künftige und geregelte Entladung bereit. In einer Periode abgeschalteter elektrischer Energie oder unter Ausnutzung einer elektrischen Teillastschal tung wird das dampfförmige Arbeitsmittel dem Speicher wieder zu geführt. Auf diese Weise wird Adsorptionswärme freigesetzt, die in Schwachlastperioden, beispielsweise tagsüber, wieder zur Ver fügung steht. Es werden weiterhin Vorkehrungen getroffen, um die Arbeitsmittelführungen mit den elektrischen Heizleitern zu verei nen.

Die Erfindung wird an einem Beispiel näher erläutert. In den zugehörigen Figuren zeigen:

Fig. 1 Die wärmespeichernde Fußbodenheizung in schematischer Darstellung, mit teilweise geöffneten oberen Schichtlagen

Fig. 2 Variante der Heizung nach Fig. 1 mit geänderter Heiz führung

Fig. 3 Heizungsschlauch für die Arbeitsmittelführung

Fig. 4 Heizführung mit einem Heizstab in einer Isolierspirale

Fig. 5 Heizführung über einem perforierten Rohr

Fig. 6 Heizführung mit direkter Zuführung des Arbeitsmittels.

Die wärmespeichernde Bodenheizung 1 ist schichtweise aufge baut. Gemäß Fig. 1 besteht sie aus einer Tragschicht 2, in der sich die Heizführungen 3 befinden. Die Heizführungen der Trag schicht 2 verlaufen in einer einzigen Querrichtung in den aus den Beulungen gebildeten Sattelebenen oberhalb der Tragschicht 2. Die Dichtschichten 4; 4' umschließen die Tragschicht 2 gemeinsam mit der seitlichen Dichtschicht 4" hermetisch. Die Deckschicht 5 ist mit der Verschleißschicht 8 ausgestattet. Sowohl die Grundschicht 6 der Bodenheizung 1 als auch die Seitenflächen in den Queraus dehnungen sind mit der Isolierschicht 7 umgeben. Die Speicherma sse 9 befindet sich zwischen der Grundschicht 6 und der Deck schicht 5, jeweils zu beiden Seiten der Tragschicht 2.

Die Tragschicht besteht aus Streckmetall, nimmt die auf der Deckschicht 5 liegenden Belastungen ohne Verformung punktraster förmig auf und überträgt diese auf die Grundschicht 6. Die Dicht schichten 4; 4' werden aus einem für Wasserdampf undurchlässigen Butylkautschuk gebildet. Die Isolierschicht 7 ist ein Mauerwerk. Die Speichermasse 9 besteht aus einem Zeolith in granulierter Form.

Fig. 2 zeigt eine Variante der Bodenheizung nach Fig. 1. Die Heizführungen 3 verlaufen unterhalb der Tragschicht 2, die Heizführungen 3' oberhalb dieser, jeweils alternierend um eine Sattelebene versetzt, die zwischen den jeweiligen Beulungen in zwei senkrecht aufeinander stehenden Querrichtungen gebildet wird. Die weiteren Figuren sehen spezielle Ausgestaltungen der Heizführungen 3; 3' vor.

Fig. 3 zeigt einen elektrischen Heizleiter 11, der sich in einem Schlauch 12 für das Arbeitsmittel befindet und diesen gleichzeitig abstützt. Das Arbeitsmittel tritt über Öffnungen 18 aus, wobei die Wärme in der Speichermasse 9 thermochemisch umge setzt wird.

Gemäß Fig. 4 wird Heizwärme durch den Heizstab 13 erzeugt, der über eine mit einem elektrischen Anschluß 17 versehene Kappe 15 durch die Dichtschicht 4 geführt wird. Innerhalb der Dicht schicht 4 und an der Kappe 15 ist eine Zuführung 19 für das Ar beitsmittel angebracht. Die Spirale 14 aus Isoliermaterial be sitzt lediglich eine tragende und abgrenzende Funktion für die Speichermasse 9, wobei sich das Arbeitsmittel in einer Querrich tung durch den innerhalb der Spirale 14 verbleibenden Freiraum ausdehnt.

Nach Fig. 5 ist der elektrische Heizleiter 11 auf einem Rohrstück 16 angeordnet, wobei das Arbeitsmittel über die Öffnun gen 18 austritt.

In Fig. 6 ist der Heizleiter 11 mit der Kappe 15 und dem Anschluß 17 verbunden. Auch hier wird das Arbeitsmittel über die Zuführungen 19 durch die Kappen 15 geleitet.

Bezugszeichenliste

1

Bodenheizung

2

Tragschicht

3

Heizführung

3

' Heizführung

4

Dichtschicht

4

' Dichtschicht

4

" Dichtschicht

5

Deckschicht

6

Grundschicht

7

Isolierschicht

8

Verschleißschicht

9

Speichermasse

11

Heizleiter

12

Schlauch

13

Heizstab

14

Spirale

15

Kappe

16

Rohrstück

17

Anschluß

18

Öffnung

19

Zuführung

Claims

1. Wärmespeichernde Bodenheizung, die nach dem thermochemischen Sorptionsprinzip arbeitet und mit einer Heizungsführung und mit einer Arbeitsmittelführung innerhalb einer sorbierenden Speicher masse versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizführung (3) mit der Zuführung (19) für das Arbeitsmittel verbunden ist und dabei die Bodenheizung (1) aus einer Noppen bildenden Trag schicht (2) besteht, in der sich die Heizführungen (3) befinden, die gemäß einer Querrichtung in den aus den Beulungen gebildeten Sattelpunkten verlaufen, von den Dichtschichten (4; 4') und den seitlichen Dichtschichten (4") hermetisch umschlossen, wobei die Grundschicht (6) als auch die Seitenflächen in ihren Querausdeh nungen mit den seitlichen Dichtschichten (4") mit der Isolier schicht (7) umgeben sind, die Speichermasse (9) sich zwischen der Grundschicht (6) und der Deckschicht (5), jeweils zu beiden Sei ten der Tragschicht (2) befindet und die Deckschicht (5) mit der Verschleißschicht (8) ausgestattet ist.

2. Bodenheizung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die se schichtweise zusammengesetzt ist und mindestens aus einer Schicht besteht.

3. Bodenheizung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizführungen (3) unterhalb der Tragschicht (2), die Heizführungen (3') oberhalb der Tragschicht (2) jeweils alternie rend um eine Sattelebene versetzt verlaufen, wobei die Sattelebe nen zwischen den Noppen der Tragschicht (2) in zwei senkrecht aufeinander stehenden Querrichtungen ausgebildet sind.

4. Bodenheizung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizführungen (3; 3') aus Heizleitern (11) bestehen, die durch mit Anschlüssen (17) versehene Kappen (15) geführt werden, die Zuführungen (19) aufweisen und mit Öffnungen (18) enthalten den Rohrstücken (16) und/oder Schläuchen (12) ausgestattet sind.

5. Bodenheizung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleiter (3) Heizstäbe (13) darstellen, die mit einer Spirale (14) umgeben sind.

6. Bodenheizung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleiter (3) und/oder (3') mit ihren Anschlüssen (17) jeweils gruppenweise innerhalb der seitlichen Dichtschicht (4') angeordnet sind und registerartig innerhalb oder außerhalb der Dichtschicht (4") verlaufen.

7. Bodenheizung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleiter (3; 3') jeweils gruppenweise mit ihren Zufüh rungen (19) registerartig innerhalb der Dichtschicht (4") verlau fen.

8. Bodenheizung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichermasse (9) ein zeolithisches Material in granu lierter Form darstellt, die Tragschicht (2) aus einem Streckform stoff besteht, die Dichtschichten (4; 4'; 4") aus einem Butylkau tschuk gebildet werden und die Isolierschicht (7) ein monolithi scher mineralischer Baustoff oder ein Mauerwerk ist.

9. Bodenheizung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß diese in Form von gestaltenden Eindeckungs- und Fassadenele menten vorliegt, die gleichzeitig zur Speicherung von zugeführter Wärme und Bereitstellung von Nutzwärme dienen.