EP0177656A1 - System zur Deckung des für Beleuchtung und Heizung benötigten Energiebedarfes eines Gebäudes - Google Patents

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EP0177656A1 EP84810485A EP84810485A EP0177656A1 EP 0177656 A1 EP0177656 A1 EP 0177656A1 EP 84810485 A EP84810485 A EP 84810485A EP 84810485 A EP84810485 A EP 84810485A EP 0177656 A1 EP0177656 A1 EP 0177656A1
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heating
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D13/00—Electric heating systems

Definitions

  • the invention relates to a system for covering the energy required for lighting and heating of a building, the rooms of which can be heated and are supplied with artificial light, and through windows with daylight.
  • the outer walls of buildings generally consist partly of transparent components, for example windows, and partly of opaque wall parts, for example facade panels or masonry and the like; Both of these parts show considerable differences in thermal insulation:
  • the heat transfer coefficients (k values) are up to six times as much (1.0 to 2.8 W / m 2 .K) as for the opaque wall parts (0.3 to 0.5 W / m 2 .K).
  • glazing on cold days has a lower surface temperature than the other parts of the outer wall. This leads to a drop in cold air in front of the window and drafts, as well as a one-sided radiation deficit for the occupants.
  • heating systems such as radiators, convectors, additional underfloor heating, etc., are arranged under the windows in order to compensate for the effects of the cold window surface with the warm air curtain thereby generated.
  • the heat transfer coefficient (total k value) of the entire window and the heat transfer coefficient of the opaque wall parts of the outer walls of the building each have a maximum value of 1 W / m 2 .K, and that for coverage of artificial lighting and heating requirements, electrical lighting fixtures and electrical heating elements with comparable performance are available.
  • the heat transfer coefficient of the entire window, the total k value is made up of the two individual K values for the glazing and for the frame; the total k value can either be determined experimentally as a whole or calculated as an arithmetic mean from the individual k values, which are included in the calculation in proportion to the area of glazing and frame.
  • “Comparable performance” is understood to mean that the installed heating output is between 50 and 150 K of the installed lighting output, i.e. the power consumed by the lighting fixtures.
  • the low k values for the window can be achieved, for example, by multiple glazing going beyond double glazing or by the measures described in EP-A-117 885; Another possibility is the use of highly heat-insulating and at the same time highly transparent substances, such as aerogels.
  • the k-values for the wall parts are adhered to using known thermal insulation measures and / or materials.
  • the outer wall Due to the special design of the outer wall from a thermal point of view, heating installations in front of or under the window to catch the cold air waste can be omitted; Furthermore, the closely spaced k-values of the window and the wall section result in a surface temperature that is largely the same over the entire outer wall surface, so that drafts are avoided. In addition, the average room temperature can be reduced without loss of comfort.
  • the amount of energy required for heating, especially when the room is occupied by people, is so low due to the low heat losses that it can be covered by artificial lighting or - if artificial lighting is not required - by electric radiators with approximately the same output.
  • the lighting and the radiators can therefore advantageously be arranged together in reflectors provided with combined sockets, preferably on the ceiling.
  • the maximum power to be taken from the network by a customer is often limited by the electricity works, so that it is not sufficient, for example, for conventional electrical heating, it is advantageous in a further development of the present invention if the maximum power of the installed heating elements does not match that of the installed lighting elements exceeds;
  • the measure can also be taken in such a way that the switching on of the lighting and the heating element is controlled in such a way that the total output of both is limited to the value of the installed lighting output.
  • FIG. 1 shows a room 2 which is surrounded on three sides by rooms of the same type, which are not shown in more detail. On one side, which is arranged on the right in FIG. 1 and on the left in FIGS. 2 and 3, the room 2 is closed off by an outer wall 3 in which a window 4 is present.
  • each reflector 6 or each radiation body 7 or 8 in it can be switched on and off by hand, individually and separately.
  • the lighting fixtures 7 and the heating elements 8 are selected such that the power consumed by them is the same. For example, it amounts to 25 W / m 2 of room area.
  • the power consumption in the individual reflectors 6 can also be the same, but also different.
  • the lighting and heating elements 7 and 8 of a reflector 6 - in the simplest case via a manually operated changeover switch - are coupled together in their electrical circuit in such a way that in a reflector 6 only one or the other of the two energy emitting radiators 7 or 8 can be in operation.
  • Room 2 which is 3 m high, measures 5 x 4 m 2 ; the area of the 2 m high window 4 running over its entire width is 8 m 2 . It is double-glazed and its k-value is reduced to about 0.7 W / m 2 .K by laying transparent, coated plastic films between the panes, while that of the opaque outer wall parts 3 is 0.5 W / m 2 , K.
  • the power required to cover this energy requirement is 408 W at an outside temperature of -10 ° C (usual design temperature) and a required room temperature of 20 ° C.
  • the installed lighting or heating power of 500 W is sufficient, even if no additional heat is emitted Room occupants takes place, which represents an additional "heating" of 80 W / person.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 4 differs from that according to FIGS. 1 to 3 only in that the reflectors 6 only light fixtures 7 included, while electrically heated panel radiators 11 are also provided as a heater on the inner wall 9 of the room 2.
  • radiators or radiators 11 can be coupled to the lighting fixtures 7 in terms of circuitry such that optionally only one lighting fixture 7 or a surface radiator 11 “assigned” to it can be in operation.
  • the radiators or radiators 11 the heating output of which can be changed continuously or in stages, completely or only with their lower output levels in addition to artificial or daylight as an energy source.
  • radiators can also be designed as air preheating heat exchangers instead of as heat sources radiating directly into the room.

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Abstract

Zur Senkung des für Beleuchtung und Heizung benötigten Energiebedarfes in einem Raum (2) eines Gebäudes (1) werden Fenster (4) und undurchsichtige Wandteile (3) der Außenwand so ausgestaltet, daß ihre Wärmedurchgangszahlen (kF bzw. kw) kleiner 1 W/m2.K sind; weiterhin werden für Beleuchtung und Heizung elektrische Beleuchtungskörper (7) und Heizkörper (8) eingesetzt, die mindestens in etwa gleiche Leistungen aufweisen.
Aufgrund der «Vorschriften» für die k-Werte können der bekannte Kaltluftabfall vor dem Fenster (4) und Zugerscheinungen vermieden werden, so dass die relativ geringe Energiemenge, die über die Beleuchtungs- und/oder die Heizkörper (7 bzw. 8) zugeführt wird zur Deckung des Bedarfes ausreicht.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein System zur Deckung des für Beleuchtung und Heizung benötigten Energiebedarfes eines Gebäudes, dessen Räume beheizbar und mit Kunstlicht, sowie über Fenster mit Tageslicht beaufschlagt sind.
  • Die Aussenwände von Gebäuden bestehen im allgemeinen teilweise aus durchsichtigen Bauteilen, z.B. Fenstern, und teilweise aus undurchsichtigen Wandteilen, z.B. Fassadenplatten oder Mauerwerk und dergleichem; beide genannten Teile zeigen erhebliche Unterschiede im Wärmedämmvermögen: Für herkömmliche Fenster betragen die Wärmedurchgangszahlen (k-Werte) bis zu sechsmal so viel (1,0 bis 2,8 W/m2.K) wie für die undurchsichtigen Wandteile (0,3 bis 0,5 W/m2.K). Infolgedessen weisen Verglasungen an kalten Tagen eine niedrigere Oberflächentemperatur auf als die anderen Teile der Aussenwand. Das führt zu einem Kaltluftabfall vor dem Fenster und zu Zugerscheinungen, sowie einem einseitigen Strahlungsdefizit für die Rauminsassen. Um für diese den erwünschten Komfort zu gewährleisten, werden Heizanlagen, wie Radiatoren, Konvektoren, zusätzliche Bodenheizungen usw., unter den Fenstern angeordnet, um mit dem dadurch erzeugten Warmluftvorhang die Auswirkungen der kalten Fensteroberfläche zu kompensieren.
  • Mit diesen Massnahmen und Anordnungen sind verschiedene, schwerwiegende Nachteile verbunden:
    • - Es sind umfangreiche und komplizierte Installationen erforderlich mit Heizleitungen, die bis an die Peripherie des Gebäudes herangeführt werden müssen,
    • - durch die Anordnung von Heizungsinstallationen wird die Nutzung im Fensterbereich stark beeinträchtigt,
    • - durch den Warmluftvorhang werden die Temperaturdifferenz und der Wärmeübergang am Fenster erhöht, was zu erhöhten Energieverlusten am Fenster führt.
  • Auch die übrigen Funktionen der Fenster - Tageslichtversorgung und Verbindung zur Aussenwelt - sind in herkömmlichen Bausystemen energetisch ungünstig. Deshalb besteht heute bei derartigen Gebäuden nur die Wahl zwischen einer grosszügigen Befensterung mit einem daraus folgenden hohen Energieverbrauch durch grosse Heizungsanlagen oder einer stark reduzierten Fensterfläche auf Nord-, Ost- und Westseite des Gebäudes mit ungünstigen Auswirkungen auf die Freiheit der architektonischen Gestaltung, sowie erheblichen Einschränkungen in bezug auf das Tageslicht und vermehrtem Energiebedarf für künstliche Beleuchtung.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes und energetisch sparsames System der eingangs genannten Art zu schaffen, das
    • - den Energiebedarf und insbesondere die Anforderungen an die für die Haustechnik notwendige Leistungsspitze erheblich reduziert,
    • - die für die Haustechnik erforderlichen Installationen verringert und vereinfacht,
    • - trotz dem hohen Komfort gewährleistet,
    • - die Versorgung mit Tageslicht optimal gestaltet
    • - und eine architektonische freie Gestaltung des Fensterbereiches zulässt.
  • Diese Aufgabe wird mit der Erfindung dadurch gelöst, dass die Wärmedurchgangszahl (Gesamt-k-Wert) des gesamten Fensters und der Wärmedurchgangszahl der undurchsichtigen Wandteile der Aussenwände des Gebäudes je höchstens einen Wert von 1 W/m2.K haben, und dass zur Deckung des Kunstlicht-und des Heizbedarfes elektrische Beleuchtungskörper und elektrische Heizkörper mit vergleichbaren Leistungen vorhanden sind.
  • Die Wärmedurchgangszahl des gesamten Fensters, der Gesamt-k-Wert, setzt sich zusammen aus den beiden Einzel-K-Werten für die Verglasung und für den Rahmen; der Gesamt-k-Wert kann dabei entweder gesamthaft experimentell bestimmt oder als arithmetischer Mittelwert aus den Einzel--k--Werten berechnet werden, wobei diese entsprechend den Flächenanteilen von Verglasung und Rahmen anteilmässig in die Rechnung eingehen.
  • Unter "vergleichbaren Leistungen" wird dabei verstanden, dass die installierte Heizleistung zwischen 50 und 150 K der installierten Beleuchtungsleistung, d.h. der von den Beleuchtungskörpern aufgenommenen Leistung, beträgt.
  • Die niedrigen k-Werte für das Fenster können beispielsweise durch über eine doppelte Verglasung hinausgehende Mehrfachverglasungen oder durch die Massnahmen erreicht werden, die in der EP-A- 117 885 beschrieben sind; eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung von hochwärmeisolierenden und gleichzeitig hochtransparenten Stoffen, wie zum Beispiel Aerogelen. Die Einhaltung der k-Werte für die Wandteile erfolgt mit Hilfe von bekannten Wärmedämm-Massnahmen und/oder -Materialien.
  • Aufgrund der besonderen Ausgestaltung der Aussenwand in thermischer Hinsicht können Heizungsinstallationen vor oder unter dem Fenster zum Abfangen des Kaltluftabfalls entfallen; weiterhin bewirken die nahe beieinander liegenden k-Werte von Fenster und Wandteil eine über die ganze Aussenwandfläche weitgehend gleiche Oberflächentemperatur, so dass Zugerscheinungen vermieden werden. Darüberhinaus kann die mittlere Raumtemperatur ohne Komfortverlust abgesenkt werden. Der zum Heizen benötigte Energieanteil ist, besonders bei Belegung des Raumes mit Personen, wegen der geringen Wärmeverluste so niedrig, dass er durch die künstliche Beleuchtung oder - falls kein Kunstlicht benötigt wird - durch elektrische Heizkörper mit etwa gleicher Leistung gedeckt werden kann. Mit Vorteil können daher die Beleuchtungs- und die Heizkörper gemeinsam in mit kombinierten Fassungen versehenen Reflektoren, vorzugsweise an der Decke, angeordnet sein.
  • Sollten in Sonderfällen an Decke, Fussboden oder Innenwänden wärmeisolierende Massnahmen erforderlich sein, so sind die k-Werte dieser Elemente selbstverständlich an diejenigen der Aussenwände angepasst.
  • Da häufig die von einem Abnehmer dem Netz zu entnehmende Maximalleistung durch die Elektrizitätswerke beschränkt wird, so dass sie beispielsweise nicht für eine elektrische Beheizung herkömmlicher Art ausreicht, ist es in Weiterentwicklung der vorliegenden Erfindung vorteilhaft, wenn die Maximalleistung der installierten Heizkörper diejenige der installierten Beleuchtungskörper nicht übersteigt; zusätzlich kann dabei noch die Massnahme getroffen sein, dass das Einschalten der Beleuchtungs- und der Heizkörper so gesteuert ist, dass die jeweils abgegebene Gesamtleistung beider auf den Wert der installierten Beleuchtungsleistung begrenzt ist.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert.
    • Fig. 1 zeigt schematisch in einer räumlichen Skizze einen erfindungsgemäss ausgebildeten Raum in einem Gebäude;
    • Fig. 2 ist ein Grundriss dieses Raumes mit Blickrichtung gegen die Decke
    • Fig. 3 stellt den Schnitt III - III von Fig. 2 dar, während
    • Fig. 4 in gleicher Darstellung wie Fig. 1 einen Raum wiedergibt, in dem die Anordnung der Heizkörper gegenüber der ersten Ausführungsform modifiziert ist.
  • Als Ausschnitt aus einem grösseren Gebäude 1 zeigt Fig. 1 einen Raum 2, der auf drei Seiten von gleichartigen Räumlichkeiten, die nicht näher dargestellt sind, umgeben ist. Auf einer Seite, die in Fig. 1 rechts und in den Fig. 2 und 3 links angeordnet ist, ist der Raum 2 durch eine Aussenwand 3 abgeschlossen, in der ein Fenster 4 vorhanden ist.
  • In der Decke 5 des Raumes 2 befinden sich in Abständen voneinander angeordnete Strahlungsreflektoren 6, in denen je eine Leuchtstoffröhre als Beleuchtungskörper 7 und ein handelsüblicher Heizstab, beispielsweise aus Keramik, als Heizkörper 8 installiert sind. Jeder Reflektor 6 bzw. jeder Strahlungskörper 7 bzw. 8 in ihm ist, einzeln und getrennt, von Hand ein-und ausschaltbar.
  • Die Beleuchtungskörper 7 und die Heizkörper 8 sind so ausgewählt, dass die von ihnen aufgenommene Leistung gleich ist. Sie beträgt beispielsweise 25 W/m2 Raumfläche. Die Leistungsaufnahme in den einzelnen Reflektoren 6 kann dabei ebenfalls gleich, aber auch verschieden sein.
  • Weiterhin sind Beleuchtungs- und Heizkörper 7 und 8 eines Reflektors 6 - im einfachsten Fall über einen von Hand zu betätigenden Umschalter - in ihrer elektrischen Schaltung so miteinander gekoppelt, dass in einem Reflektor 6 wahlweise nur der eine oder der andere der beiden energieabgebenden Strahler 7 bzw. 8 in Betrieb stehen kann.
    • Berechnungsbeispiel:
  • Der Raum 2, der eine Höhe von 3 m hat, misst 5 x 4 m2; die Fläche des über seine ganze Breite verlaufenden, 2 m hohen Fensters 4 beträgt 8 m2. Es ist doppeltverglast, und sein k-Wert ist durch Verlegen von durchsichtigen, beschichteten Kunststoffolien zwischen den Scheiben auf etwa 0,7 W/m2.K abgesenkt, während derjenige der undurchsichtigen Aussenwandteile 3 0,5 W/m2,K beträgt.
  • Daraus ergeben sich für den Raum 2 ein Volumen V von 60 m3 und eine Aussenwandfläche von 12 m2, wovon, wie erwähnt, 8 m2 Fensterfläche und 4 m 2 undurchsichtige Brüstungsfläche sind.
  • Unter der Annahme eines Luftwechsels von 0,3 h-1 resultieren daraus Energieverluste für die Luftwechsel von 6 W/K sowie für den Wärmedurchgang nach aussen durch das Fenster 5,6 W/K und durch die Brüstung von 2 W/K, was einen Gesamtenergieverlust von 13,6 W/K ergibt.
  • Die zur Deckung dieses Energiebedarfes benötigte Leistung beträgt bei einer Aussentemperatur von -10°C (übliche Auslegungstemperatur) und geforderter Raumtemperatur von 20°C 408 W. Die installierte Beleuchtungs- bzw. Heizleistung von 500 W ist also ausreichend, selbst wenn keine zusätzliche Wärmeabgabe durch Rauminsassen stattfindet, die eine zusätzliche "Beheizung" von 80 W/Person darstellt.
  • Für eine ausreichende Beheizung des Raumes 2 ergeben sich somit folgende Möglichkeiten:
    • - Bei einer Belegung werden unter Berücksichtigung der durch Insassen abgegebenen Wärme je nach Tageslichtbeleuchtung nur ein Teil der Beleuchtungs- und/oder Heizkörper 7 bzw. 8, d.h. nur einer oder einzelne der Reflektoren 6, eingeschaltet.
    • - Während kurzzeitiger Nichtbelegungen, bei Bürogebäuden beispielsweise nachts oder an Wochenenden, ist bei den gebräuchlichen Baumassen die Auskühlung des Gebäudes 1 mit den erfindungsgemässen Massnahmen so gering (1 bis 2°C Temperaturabfall), dass auf ein Heizen während der genannten Nichtbelegungszeiten verzichtet werden kann. Falls erforderlich, können die Heizkörper 8 oder ein Teil von ihnen eingeschaltet werden.
    • - Während längerer Belegungsunterbrüche erfolgt von Zeit zu Zeit je nach Auskühlung des Raumes 2 durch die Heizkörper 8 eine Aufheizung; zu diesem Zweck werden die Heizkörper 8 - beispielsweise von einer Schaltuhr periodisch oder von einem Raumthermostaten in Abhängigkeit vom Temperaturabfall gesteuert - in zeitlichen Abständen eingeschaltet.
  • Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 unterscheidet sich von demjenigen nach Fig. 1 bis 3 nur dadurch, dass die Reflektoren 6 nur Beleuchtungskörper 7 enthalten, während als Heizkörper an der Innenwand 9 des Raumes 2 ebenfalls elektrisch beheizte Flächenstrahler 11 vorgesehen sind.
  • Diese können wiederum mit den Beleuchtungskörpern 7 schaltungsmässig so gekoppelt sein, dass wahlweise nur ein Beleuchtungskörper 7 oder ein ihm "zugeordneter" Flächenstrahler 11 in Betrieb stehen können. Selbstverständlich ist es jedoch auch möglich, die Heizkörper oder Flächenstrahler 11, deren Heizleistung kontinuierlich oder stufenweise veränderbar sein kann, vollständig oder nur mit ihren unteren Leistungsstufen zusätzlich zum Kunst- oder Tageslicht als Energiequelle nutzen.
  • Die Erfindung ist nicht auf die diskutierten Ausführungsbeispiele beschränkt, insbesondere können beispielsweise die Heizkörper statt als direkt in den Raum abstrahlende Wärmequellen auch als dem Raum zuzuführende Luft vorwärmende Wärmetauscher ausgebildet sein.

Claims (4)

1. System zur Deckung des für Beleuchtung und Heizung benötigten Energiebedarfes eines Gebäudes, dessen Räume beheizbar und mit Kunstlicht, sowie über Fenster mit Tageslicht beaufschlagt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmedurchgangszahl (der Gesamt-k-Wert kF) des gesamten Fensters (4) und die Wärmedurchgangszahl (kW) der undurchsichtigen Wandteile der Aussenwände (3) des Gebäudes (1) je höchstens einen Wert von 1 W/m2.K haben, und dass zur Deckung des Kunstlicht- und des Heizbedarfes elektrische Beleuchtungskörper (7) und elektrische Heizkörper (8, 11) mit vergleichbaren Leistungen vorhanden sind.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungs-und die Heizkörper (7 bzw. 8) gemeinsam in mit kombinierten Fassungen versehenen Reflektoren (6), vorzugsweise an der Decke (5) des Raumes (2), angeordnet sind.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Maximalleistung der installierten Heizkörper (8, 11) diejenige der installierten Beleuchtungskörper (7) nicht übersteigt.
4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Einschalten der Beleuchtungs- und der Heizkörper (7 bzw. 8, 11) so gesteuert ist, dass die jeweils abgegebene Gesamtleistung beider auf den Wert der installierten Beleuchtungsleistung begrenzt ist.
EP84810485A 1984-10-08 1984-10-08 System zur Deckung des für Beleuchtung und Heizung benötigten Energiebedarfes eines Gebäudes Expired EP0177656B1 (de)

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