EP4703653A1

EP4703653A1 - Kühl- und heizsystem für ein gebäude und zugehöriges verfahren zur temperierung eines gebäudes

Info

Publication number: EP4703653A1
Application number: EP24197578.8A
Authority: EP
Inventors: Dennis Bauer; Marlon KÄCHELE; Jan Lipton; Claudio Meisser; Philipp Purkart
Original assignee: Hywin GmbH
Current assignee: Hywin GmbH
Priority date: 2024-08-30
Filing date: 2024-08-30
Publication date: 2026-03-04
Also published as: WO2026046799A1

Abstract

Es wird ein Kühl- und Heizsystem für ein Gebäude (100) mit einer Vorrichtung (50) zur Temperaturniveauanpassung beschrieben, die dazu ausgebildet ist, in zumindest einem Kreislauf ein Wärmetransportmedium von einem jeweiligen ersten Temperaturniveau auf ein jeweiliges zweites Temperaturniveau zu transportieren. Ein Leitungssystem (60) umfasst eine Zuleitungsanordnung (61) und eine Rückleitungsanordnung (62), in der das Wärmetransportmedium in dem zumindest einen Kreislauf zwischen der Vorrichtung (50) zur Temperaturniveauanpassung und einer Verbrauchsanordnung zirkuliert. Als die Verbrauchsanordnung ist eine Mehrzahl von Fenstermodulen (1; 1-i; 1-j) vorgesehen, die zur thermischen Regulierung, umfassend ein Beheizen oder Kühlen, des Gebäudeinneren ausgebildet sind, wobei die Mehrzahl von Fenstermodulen (1; 1-i; 1-j) in zumindest zwei, in unterschiedlichen Himmelsrichtungen orientierten Fassadenflächen (111, 112) in einer oder mehreren Ebenen (101-103) des Gebäudes (100) angeordnet sind. In dem Leitungssystem (60) sind eine oder mehrere, durch eine Steuereinheit (25) steuerbare Umschalteinrichtungen (91-98) angeordnet, wobei in Abhängigkeit einer ersten oder zweiten Schaltstellung die der betreffenden Umschalteinrichtung (91-98) in Strömungsrichtung folgende Zuleitung von der Vorrichtung (50) zur Temperaturniveauanpassung mit dem Wärmetransportmedium desjenigen Kreislaufs gespeist wird, dessen zweites Temperaturniveau abhängig von einem gewünschten Betriebsmodus ausgewählt/angesteuert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kühl- und Heizsystem für ein Gebäude sowie ein Verfahren zur thermischen Regulierung eines Gebäudes mittels eines Kühl- und Heizsystems.
Ein Fenstermodul zur thermischen Regulierung, welches ein Beheizen oder Kühlen eines Gebäudes ermöglicht, ist beispielsweise aus der EP 3 320 275 B1 bekannt. Das dort beschriebene Fenstermodul umfasst eine Außenverglasung und eine Innenverglasung. Die Außenverglasung weist einen kleineren Wärmedurchgangskoeffizient als die Innenverglasung auf, um über die Innenverglasung das Gebäudeinnere thermisch zu regulieren. Zwischen der Außenverglasung und der Innenverglasung ist ein gegenüber Feststoffen, insbesondere Staub, abgedichteter Zwischenraum gebildet. In dem Zwischenraum ist ein Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher angeordnet. Der Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher umfasst ein fluiddurchströmtes Kühl-/Heizelement mit einer Fluidleitung, in der ein Wärmetransportmedium geführt ist. Der Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher ist im Einbauzustand des Fenstermoduls unten oder oben, horizontal liegend, in dem Zwischenraum angeordnet, so dass er von Luft aus dem Zwischenraum durchströmbar ist. Ein Lüfter des Fenstermoduls ist im Einbauzustand des Fenstermoduls oben oder unten, horizontal liegend, in dem Zwischenraum angeordnet. Dieser ist in einem Kühlbetrieb und in einem Heizbetrieb als Betriebsmodi des Fenstermoduls betreibbar, wobei zumindest in dem Kühlbetrieb durch den Lüfter Luft durch den Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher geführt wird, um Wärme zwischen der Luft und dem Wärmetransportmedium auszutauschen und um die Luft in dem Zwischenraum in einem Kreislauf zu führen. Weiter umfasst das Fenstermodul ein in dem Zwischenraum angeordnetes Trennelement, das parallel zu der Außenverglasung und der Innenverglasung verläuft und den Zwischenraum in einen inneren Zwischenraum und einen äußeren Zwischenraum unterteilt, um eine steigende und eine fallende Luftströmung in dem Zwischenraum zu erzeugen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Kühl- und Heizsystem für Gebäude mit einem Fenstermodul der eingangs genannten Art anzugeben, welches auf einfache Weise eine effiziente thermische Regulierung des Gebäudes ermöglicht.
Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, welches eine verbesserte thermische Regulierung eines Gebäudes mittels eines Kühl- und Heizsystems erlaubt.
Diese Aufgaben werden gelöst durch ein Fenstermodul gemäß den Merkmalen des Anspruches 1 und ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruches 20. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Patentansprüchen.
Gemäß einem ersten Aspekt wird zur Lösung ein Kühl- und Heizsystem vorgeschlagen, das Fenstermodule nutzt, die auf dem Konstruktionsprinzip der eingangs genannten EP 3 320 275 B1 basieren. Das Kühl- und Heizsystem umfasst eine Vorrichtung zur Temperaturniveauanpassung, ein Leitungssystem, eine Mehrzahl von Fenstermodulen, sowie ein oder mehrere, durch eine Steuereinheit steuerbare umschaltbare Einrichtungen.
Die Vorrichtung zur Temperaturniveauanpassung ist dazu ausgebildet, in zumindest einem Kreislauf ein Wärmetransportmedium von einem jeweiligen ersten Temperaturniveau auf ein jeweiliges zweites Temperaturniveau zu transportieren. Eine solche Vorrichtung kann beispielsweise eine Kraftwärmemaschine, wie z.B. ein Wärmetauscher, eine Wärmepumpe, eine Übergabestation eines Fernwärmenetzes oder eine verbrennungsbasierte Heizung (z.B. Pelletheizung, Gasheizung oder Ölheizung, usw.) sein. Das erste Temperaturniveau kann größer als das zweite Temperaturniveau sein. Das erste Temperaturniveau kann auch kleiner als das zweite Temperaturniveau sein.
Das Leitungssystem umfasst eine Zuleitungsanordnung und eine Rückleitungsanordnung, in der das Wärmetransportmedium in dem zumindest einen Kreislauf zwischen der Vorrichtung zur Temperaturniveauanpassung und einer Verbrauchsanordnung zirkuliert. Die Zuleitungsanordnung und die Rückleitungsanordnung können als sogenanntes 2-Leitersystem oder 4-Leitersystem ausgebildet sein. Das Wärmetransportmedium wird von der Vorrichtung zur Temperaturniveauanpassung auf dem zweiten Temperaturniveau in die Zuleitungsanordnung in Richtung der Verbrauchsanordnung eingespeist und von der Rückleitung auf dem ersten Temperaturniveau empfangen.
Die Mehrzahl von Fenstermodulen stellt die Verbrauchsanordnung dar, wobei diese zur thermischen Regulierung, umfassend ein Beheizen oder Kühlen, des Gebäudeinneren ausgebildet sind. Die Mehrzahl von Fenstermodulen sind in zumindest zwei, in unterschiedlichen Himmelsrichtungen orientierten Fassadenflächen in einer oder mehreren Ebenen des Gebäudes angeordnet. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass jede der zumindest zwei Fassadenflächen eine Mehrzahl an, in einer Ebene horizontal angeordneten Fenstermodulen und/oder, in mehreren Ebenen, vertikal benachbart angeordneten Fenstermodulen umfasst. Horizontal nebeneinander angeordnete Fenstermodule stellen Fenstermodule auf der gleichen Ebene bzw. dem gleichen Stockwerk dar. Vertikal übereinander angeordnete Fenstermodule sind auf unterschiedlichen Ebenen bzw. Stockwerken angeordnet. Die Fenstermodule ermöglichen eine thermische Regulierung des Gebäudes, wobei die thermische Regulierung ein Beheizen oder ein Kühlen des Gebäudes umfasst.
Ein jeweiliges Fenstermodul umfasst eine Außenverglasung und eine Innenverglasung, wobei die Außenverglasung einen kleineren Wärmedurchgangskoeffizient als die Innenverglasung aufweist, um über die Innenverglasung das Gebäudeinnere thermisch zu regulieren, und wobei zwischen der Außenverglasung und der Innenverglasung ein gegenüber Feststoffen, insbesondere Staub, abgedichteter Zwischenraum gebildet ist. Das Fenstermodul umfasst weiter einen Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher, der ein fluiddurchströmtes Kühl-/Heizelement mit einer Fluidleitung, in der ein Wärmetransportmedium geführt ist, umfasst, wobei der zumindest eine Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher im Einbauzustand des Fenstermoduls unten oder oben, horizontal liegend, in dem Zwischenraum angeordnet ist, sodass er von Luft aus dem Zwischenraum durchströmbar ist. Das Fenstermodul umfasst ferner einen Lüfter, der im Einbauzustand des Fenstermoduls oben oder unten, horizontal liegend, in dem Zwischenraum angeordnet ist und der in einem Kühlbetrieb und in einem Heizbetrieb als Betriebsmodi des Fenstermoduls betreibbar ist, wobei zumindest in dem Kühlbetrieb durch den Lüfter Luft durch den Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher geführt wird, um Wärme zwischen der Luft und dem Wärmetransportmedium auszutauschen und um die Luft in dem Zwischenraum in einem Kreislauf zu führen. Das Fenstermodul umfasst schließlich ein in dem Zwischenraum angeordnetes Trennelement, das parallel zu der Außenverglasung und der Innenverglasung verläuft und den Zwischenraum in einen inneren Zwischenraum und einen äußeren Zwischenraum unterteilt, um eine steigende und eine fallende Luftströmung in dem Zwischenraum zu erzeugen. Das Fenstermodul umfasst weiter eine steuerbar verstellbare Sonnenschutzvorrichtung als Sonnenschutzfunktion, die in dem äußeren Zwischenraum angeordnet ist und, insbesondere unmittelbar, an die Außenverglasung grenzt, so dass bei aktivierter Sonnenschutzfunktion der äußere Zwischenraum vollständig oder im Wesentlichen zwischen der Sonnenschutzvorrichtung und dem Trennelement gebildet ist.
Das dem vorgeschlagenen Fenstermodul zu Grunde liegende Prinzip besteht darin, Wärme zwischen der Luft in dem Zwischenraum und dem Wärmetransportmedium, das in dem Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher strömt, auszutauschen. Je nach Temperatur des Wärmetransportmediums kann die Luft dann gekühlt oder erwärmt werden. Mit der gekühlten oder erwärmten Luft kann über die Innenverglasung das Gebäudeinnere, nachfolgend auch als konditionierter Nutzraum bezeichnet, thermisch reguliert werden.
Die Außenverglasung stellt eine hochisolierende Verglasung dar, die das Fenstermodul und das Gebäudeinnere gegenüber der Außenumgebung isoliert. Demgegenüber ist die Innenverglasung eine einfache Verglasung oder eine Sicherheitsverglasung, da aufgrund der kontrollierten Temperatur in dem Zwischenraum des Fenstermoduls kleine Wärmemengen abgegeben oder aufgenommen werden. Dadurch, dass die Au-βenverglasung die hochisolierende Verglasung ist, ermöglicht das Fenstermodul die thermische Regulierung des Gebäudes. Der Unterschied zwischen dem Wärmedurchgangskoeffizienten U_a der Außenverglasung und U_i der Innenverglasung kann, je nachdem, ob das Fenstermodul nur zum Kühlen oder auch zum Heizen verwendet werden soll, mindestens um den Faktor 3, insbesondere um den Faktor 5 oder mehr, kleiner als der Wärmedurchgangskoeffizient U_i der Innenverglasung sein.
Beispielsweise kann die Außenverglasung (z.B. als Mehrfachverglasung) einen U_g-Wert von 0, 6 W/m²K haben. Die Innenverglasung hat typischerweise einen U-Wert von ca. 5, 8 W/m²K. Hieraus ergibt sich ein Faktor 10, um den der Wärmedurchgangskoeffizient U_i der Innenverglasung größer ist als der Wärmedurchgangskoeffizient U_a der Außenverglasung. Es versteht sich, dass bei der Verwendung anderer Verglasungen, andere U-Werte zur Anwendung kommen.
Die Funktion des Trennelements besteht darin, den Zwischenraum in den inneren Zwischenraum und den äußeren Zwischenraum unterteilen zu können, um eine steigende und eine fallende Luftströmung in dem Zwischenraum zu ermöglichen. Die Sonnenschutzfunktion dient dazu, die Einstrahlung von Sonnenlicht in das Gebäudeinnere zu regulieren, indem das Maß der Überdeckung mit dem Fensterlicht automatisch oder durch einen Nutzer eingestellt wird, wodurch die Tageslichtstärke in dem konditionierten Nutzraum einstellbar ist.
Wird das Fenstermodul von der Sonne bestrahlt, so werden die in dem Zwischenraum angeordneten Komponenten, wie Rahmenelemente des Fenstermoduls, durch die Sonneneinstrahlung erwärmt, wodurch Wärme an die Luft insbesondere in dem äußeren Zwischenraum des Fenstermoduls abgegeben wird. Der Wärmeeintrag kann durch die Sonnenschutzfunktion reguliert werden. Die erwärmte Luft im äußeren Zwischenraum des Fenstermoduls wird mit Hilfe des Lüfters in dem Zwischenraum des Fenstermoduls in einem Kreislauf geführt, wobei die erwärmte Luft durch den Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher geführt wird. Über den Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher wird Wärme an das Wärmetransportmedium des Luft-Flüssigkeit-Wärmetauschers abgegeben, wodurch kalte bzw. kältere Luft in den inneren Zwischenraum gelangt. Durch das Wärmetransportmedium wird die durch Sonnenstrahlung in dem Zwischenraum des Fenstermoduls erzeugte Wärme abgeführt. Wird die Temperatur der Luft in dem inneren Zwischenraum unter die Temperatur des Gebäudeinneren gebracht, so kann das Gebäudeinnere gekühlt werden. Durch den Lüfter wird die Luft dann wieder von dem inneren Zwischenraum in den äußeren Zwischenraum transportiert.
Soll demgegenüber das Gebäudeinnere erwärmt werden, so wird die von dem äußeren Zwischenraum in den Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher einströmende Luft über das Wärmetransportmedium erwärmt, wodurch wärmere Luft in den inneren Zwischenraum gelangt. Wird die Temperatur der Luft des inneren Zwischenraums über die Temperatur des Gebäudeinneren gebracht, so kann das Gebäudeinnere beheizt werden.
Die Richtung, in der die Luft in dem Zwischenraum in dem Kreislauf geführt wird, ist dabei sowohl im Kühlbetrieb als auch dem Heizbetrieb gleich. Dies bedeutet, der Lüfter braucht seine Drehrichtung nicht zu ändern. Dadurch braucht auch kein technisch aufwendiger Lüfter bereitgestellt zu werden, da der Lufttransport, unabhängig vom Betriebsmodus des Fenstermoduls, immer in der gleichen Richtung erfolgt.
Dadurch, dass der Zwischenraum lediglich gegenüber Feststoffen, insbesondere Staub, abgedichtet zu sein braucht, ansonsten jedoch gegenüber dem Nutzraum diffusionsoffen ist, entfällt die Zuführung von getrockneter Luft zur Vermeidung von Kondensation im Zwischenraum des Fenstermoduls. Dies vereinfacht den konstruktiven Aufbau des Fenstermoduls und spart beträchtliche Kosten für die Bereitstellung von getrockneter Luft mit geringem Überdruck.
Dadurch, dass die steuerbar verstellbare Sonnenschutzvorrichtung, insbesondere unmittelbar (d.h. ohne oder ohne wesentlichen Zwischenraum), an die Außenverglasung angrenzt, so dass bei aktivierter Sonnenschutzfunktion der äußere Zwischenraum vollständig oder im Wesentlichen zwischen der Sonnenschutzvorrichtung und dem Trennelement gebildet ist, ergibt sich in dem Zwischenraum eine weniger turbulente Strömung der Luft. Aufgrund einer optimierten Strömung ergeben sich geringere Vibrationen und eine geringere mechanische Beanspruchung der in dem Zwischenraum angeordneten Komponenten des Fenstermoduls. Darüber hinaus kann das Fenstermodul mit höherer Effizienz und geringerer Geräuschentwicklung betrieben werden. Durch das Angrenzen der Sonnenschutzvorrichtung an die Außenverglasung wird zudem, falls die Sonnenschutzvorrichtung aktiviert ist, ein geringerer Wärmeeintrag in den (äußeren) Zwischenraum des Fenstermoduls bewirkt.
Die eine oder mehreren, durch eine Steuereinheit steuerbaren umschaltbaren Einrichtungen sind in dem Leitungssystem angeordnet. In Abhängigkeit einer ersten oder zweiten Schaltstellung wird die der betreffenden Umschalteinrichtung in Strömungsrichtung folgende Zuleitung von der Vorrichtung zur Temperaturniveauanpassung mit dem Wärmetransportmedium desjenigen Kreislaufs gespeist, dessen zweites Temperaturniveau abhängig von einem gewünschten Betriebsmodus ausgewählt bzw. angesteuert wird.
Der Betriebsmodus umfasst allgemein ein Heizen und Kühlen. Allgemeiner sind darunter unterschiedliche Vorlauf-Temperaturen für die Fenstermodule in dem Gebäude oder Gebäudeteilen oder Nutzräumen zu verstehen. Es könnten z.B. Nutzräume, die einer Fassadenfläche in Südorientierung zugeordnet sind, mit einer ersten Vorlauftemperatur betrieben werden, während Nutzräume, die einer anderen Fassadenfläche, z.B. mit Nordorientierung, zugeordnet sind, mit einer im Vergleich höheren, zweiten Vorlauftemperatur betrieben werden. Dies ermöglicht insbesondere dezentrale Taupunktverschiebungen.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung des Fenstermoduls ist der zwischen der Außenverglasung und der Innenverglasung gebildete Zwischenraum größer als 150 mm, um ein ausreichendes Volumen an Luft in dem Zwischenraum in einem Kreislauf führen zu können. Der zwischen der Innenverglasung und der Außenverglasung gebildete Abstand wird insbesondere abhängig vom Typ (insbesondere Leistungsklasse) des Luft-Flüssigkeit-Wärmetauschers sowie seiner Einbaulage gewählt und kann auch größer oder wesentlich größer als die genannten 150 mm sein.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung des Fenstermoduls wird durch das Trennelement der aus dem Wärmetauscher austretende Luftstrom in den inneren Zwischenraum geführt, um über den äußeren Zwischenraum zurückgeführt zu werden. Da die Innenverglasung einen größeren Wärmedurchgangskoeffizient als die Außenverglasung aufweist, kann aufgrund der kontrollierten Temperatur in dem Zwischenraum des Fenstermoduls ein erwünschtes Maß an Wärme oder Kälte zum Nutzraum hin abgegeben werden.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung des Fenstermoduls ist die Sonnenschutzvorrichtung aus einem Sonnenstrahlung absorbierenden und reflektierenden Material ausgebildet, die derart steuerbar verstellbar ist, dass die Tageslichtstärke im Nutzraum einstellbar ist. Die Sonnenschutzvorrichtung kann beispielsweise als Rollo, Doppelrollo, Jalousie, textiler Vorhang und dergleichen ausgeführt sein.
Die Sonnenschutzvorrichtung kann auch als schaltbares Glas in die Außenverglasung integriert sein. Hierzu können z.B. elektro-chrome Gläser eingesetzt werden, wie diese z.B. von der Firma SageGlass^® vertrieben werden. In diesem Fall ist es nicht erforderlich, ein zusätzliches, mechanisch ausgebildetes Sonnenschutzmittel (Rollo, Jalousie, usw.) in dem Zwischenraum vorzusehen.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung des Fenstermoduls umfasst das Trennelement eine feststehende transparente Trennwand, die sich ohne Zwischenraum über die gesamte Breite des Fenstermoduls erstreckt. Mit anderen Worten wird das Trennelement selbst beim Blick durch das Fenstermodul durch einen Nutzer nicht wahrgenommen. Dadurch, dass sich das Trennelement über die gesamte Breite des Fenstermoduls erstreckt, kann die erwünschte Zirkulation des Luftstroms in dem Zwischenraum ohne seitlichen Bypass oder "Kurzschluss" erfolgen.
Ebenso wie sich das Trennelement über die gesamte Breite des Fenstermoduls erstreckt, ist es zweckmäßig, wenn sich der Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher des Fenstermoduls über die gesamte Breite oder nahezu über die gesamte Breite, z.B. 90% oder 80%, des Fenstermoduls erstreckt.
Um eine Wartung der in dem Zwischenraum enthaltenen Komponenten sowie eine Reinigung der Außenverglasung auf seiner Innenseite sowie der Innenverglasung in Richtung des Zwischenraums zu ermöglichen, ist es zweckmäßig, wenn bei einem jeweiligen Fenstermodul die Innenverglasung und das Trennelement zum Gebäudeinneren hin öffenbar, insbesondere verschwenkbar, sind. Es wird somit ein Zugang zu dem Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher und/oder Lüfter und/oder der Sonnenschutzvorrichtung zu Wartungszwecken und/oder Reinigungszwecken ermöglicht. Das Verschwenken der Innenverglasung und des Trennelements kann insbesondere unabhängig voneinander zur Seite und/oder nach oben erfolgen. Beispielsweise kann die Innenverglasung um eine vertikal orientierte Achse verschwenkt werden, während das Trennelement um eine horizontal orientierte Achse verschwenkt werden kann, und umgekehrt. Ebenso ist eine Verschwenkung um parallel orientierte Achsen, z.B. vertikal oder horizontal möglich, beider Elemente möglich.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung des Fenstermoduls ist das Trennelement derart in dem Zwischenraum angeordnet, dass der zwischen der Au-βenverglasung und dem Trennelement gebildete Zwischenraum größer ist als der zwischen der Innenverglasung und dem Trennelement gebildete Zwischenraum. Das Verhältnis zwischen dem äußeren Zwischenraum und dem inneren Zwischenraum wird insbesondere abhängig vom Typ (insbesondere Leistungsklasse) des Luft-Flüssigkeit-Wärmetauschers und/oder seiner Einbaulage gewählt. Das Verhältnis kann beispielsweise 1,5:1, 2:1, 2,5:1 oder 3:1 betragen.
Ein besonders einfacher konstruktiver Aufbau des Fenstermoduls wird dadurch ermöglicht, dass das Trennelement sich an einer Gehäusewand des Lüfters und einem Gehäuse oder Verbindungselement des Luft-Flüssigkeit-Wärmetauschers abstützt. Alternativ kann sich das Trennelement an anderen Elementen des Fenstermoduls, z.B. dem Rahmen, abstützen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Fenstermoduls ist vorgesehen, dass in dem Zwischenraum, insbesondere an dem Trennelement oder an dieses angrenzend, und/oder außerhalb des Zwischenraums und angrenzend an die Innenverglasung zumindest ein zur Abgabe von farbigem Licht ausgebildetes Leuchtmittel angeordnet ist, wobei durch die Farbe ein Arbeitsmodus des Fenstermoduls (Heizen oder Kühlen oder neutral) oder eine an den Nutzer gerichtete Information signalisierbar ist. Das Leuchtmittel kann beispielsweise als streifenförmige Lichtquelle, welche eine Vielzahl an zur Abgabe von farbigem Licht ausgebildete LEDs umfasst, ausgebildet sein. Solche LED-Streifen können bei geringem Bauraum geeignet angesteuert zu werden, um eine an den Nutzer gerichtete Information oder einen Arbeitsmodus des Fenstermoduls durch vorgegebene Farbe abzugeben. Solche Informationen können beispielsweise Signale im Sinne einer Mensch-Maschine-Interaktion sein. Beispielsweise können einfache Dinge an die Fassade oder den Boden projiziert werden, wie z.B. Flaggen bei einem Sportereignis. Alternativ kann auch ein Lichtleiter, in dessen Stirnseite oder Stirnseiten Licht eingespeist wird, als Leuchtmittel verwendet werden.
Zweckmäßigerweise ist der Lüfter des Fenstermoduls ein drehzahlregelbarer Querstromventilator, wobei durch die Einstellung der Drehzahl das in dem Zwischenraum zirkulierende Luftvolumen bzw. die Geschwindigkeit der Luftströmung einstellbar ist. Hierdurch kann, in Verbindung mit dem Betrieb des Luft-Flüssigkeit-Wärmetauschers, der Wärme- oder Kälteeintrag zum Nutzraum hin reguliert werden. Vorzugsweise ist der Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher ein Rohrwärmetauscher, insbesondere ein Lamellenwärmetauscher, bei dem der Volumenstrom des Wärmetransportmediums steuerbar einstellbar ist.
Im Einbauzustand des Fenstermoduls in das Gebäude ist eine Unterseite des Gehäuses des Lüfters zweckmäßigerweise oberhalb einer Betondeckenunterkante angeordnet. Eine Oberseite des Gehäuses des Luft-Flüssigkeit-Wärmetauschers ist zweckmäßigerweise unterhalb einer Fußboden-Oberkante angeordnet. Hierdurch ist sichergestellt, dass sich die technischen Komponenten des Fenstermoduls außerhalb eines Sichtbereichs eines Nutzers, der sich im Inneren des Gebäudes befindet, sind.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung des Fenstermoduls ist in der Fluidleitung des Luft-Flüssigkeit-Wärmetauschers eingangsseitig ein steuer- oder regelbares Ventil angeordnet, wobei durch die Stellung des Ventils ein Volumenstrom des Wärmetransportmediums durch den Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher zwischen 0 % und 100 % einstellbar ist. Hierdurch kann in Verbindung mit der Drehzahl des Lüfters der Wärme- oder Kälteeintrag zum Nutzraum hin reguliert werden.
Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung des Fenstermoduls sieht vor, dass dieses einen Rahmen mit einem im Einbauzustand oberen Rahmenelement, einem unteren Rahmenelement sowie zwei das obere Rahmenelement und das untere Rahmenelement verbindenden, insbesondere vertikalen, seitlichen Rahmenelementen umfasst, wobei in dem oder durch das untere Rahmenelement ein vom Fenstermodul thermisch isolierter und an ein dezentrales Lüftungsgerät, insbesondere ein Pulslüftungsgerät, anschließbarer Lüftungskanal, der das Gebäudeinnere mit dem Gebäudeäußeren verbindet, ausgebildet ist. Hierdurch ist es nicht erforderlich, für den Luftaustausch (Lufthygiene) Klimaanlagen vorzusehen. Werden mehrere Fenstermodule in einer Gebäudefassade nebeneinander angeordnet, so braucht nicht jedes Fenstermodul mit einem Lüftungskanal versehen zu werden. Es ist ausreichend, z.B. ein einziges Fenstermodul oder jedes zweite oder n-te (n ≥ 2) Fenstermodul pro Nutzraum mit einem Lüftungskanal und einem Lüftungsgerät zu versehen.
Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn das untere Rahmenelement des Fenstermoduls den Zwischenraum mit einem wannenförmigen Verkleidungselement abschließt, um eine Luftumlenkung in dem Zwischenraum, insbesondere ohne Verwirbelungen, zu erzielen. Der Begriff "wannenförmiges Verkleidungselement" ist derart zu verstehen, dass das untere Rahmenelement in einem Querschnitt, senkrecht zu einer Ebene der Außen- bzw. Innenverglasung V- oder U-förmig ausgebildet ist, wobei die beiden freien Enden des "V" oder "U" in einem stumpfen Winkel aneinander oder an das zentrale Element des "U" grenzen. Neben der Funktion der Luftumlenkung dient das wannenförmige Verkleidungselement auch dazu, eventuell aus dem Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher austretendes Wärmetransportmedium zu sammeln. Das Vorliegen eines solchen "Fehlerfalls" kann beispielsweise sensorisch ermittelt werden, indem ein geeignet ausgebildeter Sensor in dem wannenförmigen Verkleidungselement angeordnet wird bzw. ist.
Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn der Lüftungskanal des Fenstermoduls unterhalb des wannenförmigen Verkleidungselements oder seitlich neben dem wannenförmigen Verkleidungselement angeordnet ist. Dies bedeutet, dass der Lüftungskanal unterhalb des Luft-Flüssigkeit-Wärmetauschers oder seitlich neben dem Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher angeordnet ist.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung des Kühl- und Heizsystems ist die Vorrichtung zur Temperaturniveauanpassung dazu ausgebildet, in einer Zuleitung eines ersten Leitungspaars das Wärmetransportmedium mit einer ersten, hohen Temperatur als das zweite Temperaturniveau, insbesondere zum Heizen, bereitzustellen. Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung zur Temperaturniveauanpassung auch dazu ausgebildet sein, in einer Zuleitung eines zweiten Leitungspaars das Wärmetransportmedium mit einer zweiten, niedrigen Temperatur, als das zweite Temperaturniveau, insbesondere zum Kühlen, bereitzustellen, wobei die zweite, hohe Temperatur größer als die erste, niedrige Temperatur ist. Die Vorrichtung zur Temperaturniveauanpassung kann somit entweder dazu ausgebildet sein, entweder Temperaturen bereitzustellen, die geeignet sind, das Gebäude zu beheizen oder Temperaturen, die geeignet sind, das Gebäude sowohl zu heizen als auch zu kühlen.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Vorrichtung zur Temperaturniveauanpassung aus einer der folgenden Vorrichtungen gewählt ist: Luft-Wasser-Wärmepumpe mit Außenluft; Sole-Wasser-Wärmepumpe mit Erdsonden oder Erdkollektoren; Wasser-Wasser-Wärmepumpe mit Grundwasser oder kalter Nah-/Fernwärme. Derartige Wärmepumpen stellen ein für die Fenstermodule ideales Temperaturniveau bereit. Ebenso können Nah-/Fernwärmenetze als Vorrichtungen zur Temperaturniveauanpassung genutzt werden. Diese Vorrichtungen stellen 4-Leitersysteme dar, die sowohl Wärme als auch Kälte liefern, welche direkt in dem erfindungsgemäßen Kühl- und Heizsystem genutzt werden können. Einen Sonderfall stellen kalte Nah-/Fernwärmenetze dar. Hier ist vor Ort eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe erforderlich, um die bereitgestellte Temperatur anzuheben.
Alternativ kann die Vorrichtung zur Temperaturanpassung aus einer der folgenden Vorrichtungen gewählt sein. Einem Nah- oder Fernwärmenetz, das (nur) Wärme bereitstellt; einem Energieerzeuger, der regenerative Energien, insbesondere Biomasse oder Wasserstoff (H₂), als Brennstoff verbraucht; einem Energieträger, der fossile Brennstoffe, insbesondere Gas oder Öl, verbraucht. Vorrichtungen der genannten Art sind 2-Leitersysteme, die zweckmäßigerweise um eine Vorrichtung zur Kälteerzeugung, insbesondere eine Kompressionskältemaschine, ergänzt werden. Im Vergleich zu den oben genannten Wärmepumpen ist die erste Temperatur höher als notwendig für den Betrieb des Kühl- und Heizsystems.
In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die ein oder mehreren, steuerbaren Umschalteinrichtungen eine erste Anschlusseinheit, eine zweite Anschlusseinheit und eine dritte Anschlusseinheit umfassen. An der ersten Anschlusseinheit sind die Zuleitung und eine Rückleitung des ersten Leitungspaars angeschlossen. An der zweiten Anschlusseinheit sind die Zuleitung und eine Rückleitung des zweiten Leitungspaars angeschlossen. An der dritten Anschlusseinheit sind eine Zuleitung und eine Rückleitung zu einer Anzahl an Fenstermodulen angeschlossen. Durch die Ansteuerung von Ventilen und/oder Klappen wird von den zwei Temperaturen mit dem zweiten Temperaturniveau, die ankommen, eine ausgewählt und in das nachfolgende 2-Leiter-System, welches mit einem oder mehreren Fenstermodulen verbunden ist, gespeist.
Der Begriff Zuleitung umfasst eine einzelne Leitung, von der Abzweige zu den jeweiligen Fenstermodule hinweggehen, als auch ein Leitungssystem, in dem Leitungen beliebig verzweigt verschaltet sein können. In entsprechender Weise umfasst der Begriff Rückleitung eine einzelne Leitung, von der Abzweige von den jeweiligen Fenstermodulen einmünden, als auch ein Leitungssystem, in dem Leitungen beliebig verzweigt verschaltet sein können.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung umfasst das Kühl- und Heizsystem eine steuerbare Umschalteinrichtung, wodurch sämtliche Fenstermodule in dem Gebäude im gleichen Betriebsmodus betrieben werden. Die Umschaltung erfolgt z.B. in einem Technikraum, der vorzugsweise in räumlicher Nähe zu der Vorrichtung zur Temperaturniveauanpassung eingerichtet ist. Das gesamte Gebäude kann in dieser Variante nur heizen oder kühlen. Eine insbesondere lokale Energieverschiebung ist nur über die Technikzentrale bzw. die Vorrichtung zur Temperaturanpassung möglich. Aufgrund der geringen Komplexität einer solchen Anordnung ist diese vorteilhaft in kleineren Gebäuden einsetzbar, insbesondere in solchen, bei denen die Fassaden ähnlich zueinander orientiert sind. Dies sind insbesondere solche Gebäude, welche lediglich eine Fassade oder beispielsweise mehrere Fassaden, die in einem stumpfen Winkel zueinander orientiert sind, aufweisen.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung umfasst das Kühl- und Heizsystem pro Ebene (d.h. Stockwerk) zumindest eine Umschaltbaugruppe, welche jeweils individuell steuerbar sind. Gemäß dieser Ausgestaltung kann beispielsweise die Anzahl an Umschaltbaugruppen in einem Steigschacht des Gebäudes vorgesehen werden. Eine Umschaltung zwischen Heizen und Kühlen ist dann für jede Gruppe von Fenstermodulen, die an jeweilige, unterschiedliche Umschaltbaugruppen angeschlossen sind, möglich.
Alternativ oder zusätzlich kann das Kühl- und Heizsystem pro Fassadenfläche zumindest eine Umschaltbaugruppe umfassen, welche jeweils individuell steuerbar sind. Beispielsweise kann jedes Fenstermodul einer Fassadenfläche einer Umschaltbaugruppe zugeordnet sein. Eine Umschaltung kann dann für jedes einzelne Fenstermodul mittels der zugeordneten Umschaltbaugruppe erfolgen, wodurch jedes einzelne Fenstermodul wahlweise beheizt oder gekühlt werden kann. Dies ist beispielsweise in solchen Gebäuden vorteilhaft, welches über eine Vielzahl von getrennten Nutzräumen verfügt, beispielsweise pro Fenstermodul einen Nutzraum aufweist.
Allgemein gilt, je größer die Anzahl der Umschaltbaugruppen pro Ebene und/oder pro Fassadenfläche ist, desto feiner kann das Beheizen oder Kühlen des Gebäudes bzw. von Gebäudeteilen bzw. Nutzräumen erfolgen.
Die oben genannten Alternativen können in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden.
Eine besonders hohe Energieeffizienz des Kühl- und Heizsystems lässt sich dadurch erzielen, dass dieses eine Verteileranordnung umfasst, die dazu ausgebildet ist, eine Energieverschiebung zwischen zwei Gruppen von Fenstermodulen, die an unterschiedliche Umschaltbaugruppen angeschlossen sind, vorzunehmen. Die Energieverschiebung ermöglicht es, Energie möglichst lokal zu nutzen, da geringere Rohrleitungsverluste auftreten und weniger Antriebsstrom für Pumpen usw. benötigt wird.
Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, dass die Verteileranordnung Ventile und eine Pumpe umfasst, die dazu ausgebildet ist, zur Energieverschiebung einen Rückleitungsstrang einer ersten Gruppe von Fenstermodulen durch ein erstes Ventil mit einem Zuleitungsstrang einer zweiten Gruppe von Fenstermodulen und einen Zuleitungsstrang der ersten Gruppe von Fenstermodulen durch ein zweites Ventil mit einem Rückleitungsstrang der zweiten Gruppe von Fenstermodulen zu verbinden. Hiermit wird eine effiziente, direkte Energieverschiebung zwischen Fenstermodulen oder Gruppen von Fenstermodulen ermöglicht.
Unter einer Gruppe von Fenstermodulen ist eine hydraulische Verschaltung zwischen mehreren Fenstermodulen oder Gruppen von Fenstermodulen zu verstehen.
Alternativ kann eine indirekte Energieverschiebung zwischen Fenstermodulen oder Gruppen von Fenstermodulen erfolgen. Dies bedeutet, dass keine hydraulische Verschaltung zwischen einzelnen Fenstermodulen oder Gruppen von Fenstermodulen besteht. Stattdessen erfolgt eine Energieverschiebung über die Rückführung des Wärmetransportmediums in der Technikzentrale. Von dort erfolgt die Energieverschiebung in eine andere Gruppe von Fenstermodulen. Bei dieser Variante kann eine Energienutzung in der Technikzentrale, z.B. an daran angeschlossene Speicher, erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Einspeisung von Energie in ein Nah-/Fernwärmenetz erfolgen.
Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, dass die jeweiligen Fluidleitungen des Luft-Flüssigkeit-Wärmetauschers eines jeweiligen Fenstermoduls eingangsseitig mit einem regelbaren Ventil verbunden sind, wobei durch die Stellung des Ventils ein Volumenstrom des Wärmetransportmediums durch den Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher jedes Fenstermoduls individuell einstellbar ist.
Gemäß einer weiteren Ausbildung des Fenstermoduls umfasst dieses eine lokale Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, zumindest einen Aktor des Fenstermoduls, umfassend einen Ventil-Stellmotor und/oder einen Antrieb des Lüfters und/oder einen Antrieb der Sonnenschutzvorrichtung, derart zu regeln und/oder zu steuern, dass ein empfangener Ist-Raumtemperaturwert einem vorgegebenen Soll-Raumtemperaturwert entspricht. Mit anderen Worten ist vorgesehen, mit Hilfe der lokalen Steuereinheit die Drehzahl des Lüfters und/oder den Volumenstrom des Luft-Flüssigkeit-Wärmetauschers und/oder die Sonnenschutzvorrichtung derart zu regulieren, dass die gewünschte Raumtemperatur erreicht wird.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Fenstermodul zumindest einen Sensor, umfassend jeweilige Temperatursensoren zur Erfassung der Temperaturen des Wärmetransportmediums am Eingang und/oder Ausgang der Fluidleitung des Luft-Flüssigkeit-Wärmetauschers und/oder der Temperaturen der Luft am Eingang und/oder Ausgang des Luft-Flüssigkeit-Wärmetauschers, wobei die Temperaturwerte zumindest der lokalen Steuereinheit zur Verarbeitung für die Regelung und/oder Steuerung des zumindest einen Aktors bereitgestellt werden.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die lokale Steuereinheit eine Schnittstelle umfasst, an der sie zumindest den Ist-Raumtemperaturwert und den vorgegebenen Soll-Raumtemperaturwert von einer zentralen Steuereinheit des Gebäudes oder eines Gebäudeteils, empfängt. Unter einem Gebäudeteil wird beispielsweise ein Stockwerk oder Gebäudeflügel/-segment oder Nutzraum oder eine Gruppe von Nutzräumen verstanden. Über die Schnittstelle kann die lokale Steuereinheit auch Daten an die zentrale Steuereinheit übermitteln, wie z.B. die oben genannten Temperaturwerte, mit denen die zentrale Steuereinheit z.B. in die Lage versetzt wird, eine Leistungsberechnung zur exakten Berechnung der momentan optimalen Gebäudeversorgung vorzunehmen. Ebenso können detaillierte Störmeldungen von der lokalen Steuereinheit an die zentrale Steuereinheit übertragen werden. Dadurch wird im Störfall eine schnelle Behebung von Störungen ermöglicht. Hierdurch kann in kurzer Zeit ein effizienter Betrieb des Fenstermoduls zur Konditionierung des Nutzraums ermöglicht werden. Im Ergebnis ergibt sich eine Instandhaltungs- und Betriebskostenersparnis.
Als weitere Information kann die lokale Steuereinheit von der zentralen Steuereinheit an der Schnittstelle ein Steuersignal für den Antrieb der Sonnenschutzvorrichtung empfangen.
Ein Datenaustausch zwischen der lokalen Steuereinheit und der zentralen Steuereinheit kann beispielsweise über einen Datenbus, z.B. gemäß dem bekannten Modbus-Protokoll, erfolgen.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist die zentrale Steuereinheit dazu ausgebildet, die Schaltstellung einer jeweiligen Umschaltvorrichtung basierend auf dem Ist-Raumtemperaturwert und dem vorgegebenen Soll-Raumtemperaturwert zu steuern. Optional kann die zentrale Steuereinheit ferner dazu ausgebildet sein, die Schaltstellung einer jeweiligen Umschaltvorrichtung basierend auf zumindest einem weiteren Parameter, insbesondere eine Jahreszeit und/oder eine Außentemperatur, zu steuern.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur thermischen Regulierung eines Gebäudes mittels eines Kühl- und Heizsystems gemäß einer oder mehrerer Ausgestaltungsvarianten der Erfindung vorgeschlagen. Bei dem Verfahren wird in Abhängigkeit einer ersten oder zweiten Schaltstellung die der betreffenden Umschalteinrichtung in Strömungsrichtung folgende Zuleitung von der Vorrichtung zur Temperaturniveauanpassung mit dem Wärmetransportmedium desjenigen Kreislaufs gespeist, dessen erstes Temperaturniveau abhängig von einem gewünschten Betriebsmodus ausgewählt oder angesteuert wird. Hiermit sind die gleichen Vorteile verbunden, wie diese vorstehend in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Fenstermodul erläutert wurden.
Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Gebäudes mit mehreren Stockwerken gemäß einer ersten Ausgestaltungsvariante in einer seitlichen Ansicht, wobei genau eine Umschalteinrichtung in der Nähe einer Vorrichtung zur Temperaturniveauanpassung vorgesehen ist;
Fig. 2: eine schematische Darstellung auf ein ausgewähltes Stockwerk des Gebäudes von Fig. 1 in einer Draufsicht, aus der das Leitungssystem zur Versorgung einer Mehrzahl an erfindungsgemäßen Fenstermodulen mit einem Wärmetransportmedium hervorgeht;
Fig. 3: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Gebäudes gemäß einer zweiten Ausgestaltungsvariante in einer seitlichen Ansicht, wobei pro Fenstermodul eine Umschalteinrichtung vorgesehen ist;
Fig. 4: eine schematische Darstellung auf ein ausgewähltes Stockwerk des Gebäudes von Fig. 3 in einer Draufsicht, aus der das Leitungssystem zur Versorgung der Fenstermodule mit dem Wärmetransportmedium hervorgeht;
Fig. 5: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Gebäudes gemäß einer dritten Ausgestaltungsvariante in einer seitlichen Ansicht, wobei pro Stockwerk und Fassadenfläche eine jeweilige Umschalteinrichtung vorgesehen ist;
Fig. 6: eine schematische Darstellung auf ein ausgewähltes Stockwerk des Gebäudes von Fig. 5 in einer Draufsicht, aus der das Leitungssystem zur Versorgung der Fenstermodule mit dem Wärmetransportmedium hervorgeht;
Fig. 7: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Gebäudes gemäß einer vierten Ausgestaltungsvariante in einer seitlichen Ansicht, wobei in einem Steigschacht eine unterschiedliche Anzahl an Umschalteinrichtungen pro Stockwerk und Fassadenfläche vorgesehen ist;
Fig. 8: eine schematische Darstellung auf ein ausgewähltes Stockwerk des Gebäudes von Fig. 7 in einer Draufsicht, aus der das Leitungssystem zur Versorgung der Fenstermodule mit dem Wärmetransportmedium hervorgeht;
Fig. 9: eine schematische Darstellung von zwei Gruppen von Fenstermodulen an unterschiedlich orientierten Fassadenflächen, wobei eine direkte Energieverschiebung zwischen den Gruppen von Fenstermodulen dargestellt ist;
Fig. 10: eine schematische Darstellung von zwei Gruppen von Fenstermodulen an unterschiedlich orientierten Fassadenflächen, wobei eine indirekte Energieverschiebung zwischen den Gruppen von Fenstermodulen über die Vorrichtung zur Temperaturniveauanpassung realisiert ist; und
Fig. 11: eine schematische Darstellung eines Fenstermoduls in einem Querschnitt, wie dies in einem erfindungsgemäßen Kühl- und Heizsystem der Erfindung zum Einsatz kommt.

In sämtlichen Figuren werden gleiche Bezugszeichen für gleiche Elemente verwendet. Die Zeichnungen sind lediglich schematischer Natur und dienen dem Verständnis der Erfindung, so dass die Größenverhältnisse und Proportionen nicht der Wirklichkeit entsprechen oder entsprechen müssen.
Bevor das erfindungsgemäße Kühl- und Heizsystem im Detail beschrieben wird, erfolgt anhand von Fig. 11 eine Beschreibung des in dem Kühl- und Heizsystem zum Einsatz kommenden Fenstermoduls, welches ein Heizen oder Kühlen zur thermischen Regulierung des Gebäudeinneren ermöglicht.
Unter der thermischen Regulierung eines Gebäudes wird die Möglichkeit verstanden, einen auf einer Innenseite IS des Fenstermoduls 1 liegenden Nutzraum 30 durch Heizung oder Kühlung zu konditionieren. Das Fenstermodul 1 sorgt darüber hinaus für einen Sonnenschutz durch einstellbare Beschattung und kann darüber hinaus dazu ausgebildet sein, eine Lüftung des Nutzraums 30 zu ermöglichen.
Das Fenstermodul 1 umfasst einen Rahmen 12, welcher aus vier Rahmenelementen besteht, von denen in den gezeigten Querschnittsdarstellungen jeweils ein oberes Rahmenelement 120 und ein unteres Rahmenelement 12U ersichtlich sind. Die Buchstaben "O" und "U" kennzeichnen dabei die Position "oben" oder "unten" eines jeweiligen Rahmens in seinem Einbauzustand in einem nicht näher dargestellten Gebäude. Mittels der Rahmenelemente 120, 12U sowie der in Fig. 11 nicht dargestellten linken und rechten Rahmenelemente werden eine Außenverglasung 2 und eine von dieser beabstandete Innenverglasung 3 des Fenstermoduls 1 gehalten. Zwischen der Außenverglasung 2 und der Innenverglasung 3 ist ein gegenüber Feststoffen, insbesondere Staub, abgedichteter Zwischenraum 4 gebildet. Der Zwischenraum 4 ist zur Vermeidung von Kondensation gegenüber dem Nutzraum diffusionsoffen. Der Zwischenraum 4 ist mit Luft gefüllt.
Während es sich bei der Außenverglasung 2 um eine hochisolierende Verglasung handelt, kann die Innenverglasung 3 als Einfachverglasung oder als Verbundsicherheitsglas ausgebildet sein. Somit ist der Wärmedurchgangskoeffizient U_a der Au-βenverglasung 2 kleiner als der Wärmedurchgangskoeffizient U_i der Innenverglasung 3. Der Faktor, um den der Wärmedurchgangskoeffizient U_a der Außenverglasung 2 kleiner als der Wärmedurchgangskoeffizient U_i der Innenverglasung 3 ist, hängt grundsätzlich von der gewünschten thermischen Regulierung des Gebäudes ab. Zweckmäßig ist es, wenn der Wärmedurchgangskoeffizient U_a der Außenverglasung 2 mindestens um den Faktor 3, insbesondere um den Faktor 5 und größer, kleiner ist als der Wärmedurchgangskoeffizient U_i der Innenverglasung 3. Falls das Fenstermodul lediglich zur Kühlung des Gebäudes ausgebildet wird, ist ein Faktor von 3 ausreichend, d. h. U_i/U_a = 3. Soll das Fenstermodul auch zur Heizung des Nutzraums genutzt werden, so ist ein Faktor von 5 oder größer zweckmäßig, d. h. U_i/U_a > 5.
Durch die hochisolierende Außenverglasung 2 wird ein Wärmeaustausch zwischen der Außenseite AS (auch als Umgebung bezeichnet) des Gebäudes und dem Inneren des Fenstermoduls 1, aber auch des Nutzraums 30 auf der Innenseite IS, d.h. des Gebäudeinneren, wesentlich reduziert. Aufgrund der thermischen Regulierung der Temperatur durch das Fenstermodul 1 ist eine geringer isolierende Innenverglasung 3 vorteilhaft, da wegen der durch das Fenstermodul 1 kontrollierten Temperatur Wärme nach innen abgegeben wird bzw. abgegeben werden soll oder vom Nutzraum an das Fenstermodul abgegeben wird bzw. abgegeben werden soll.
Das Fenstermodul 1 umfasst einen Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher 5, welcher ein fluiddurchströmtes Kühl-/Heizelement mit einer Fluidleitung, in der ein Wärmetransportmedium geführt ist, umfasst. Als Wärmetransportmedium kann beispielsweise Wasser oder ein Wasser-Glykol-Gemisch genutzt werden. Der Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher 5 ist insbesondere ein Rohrwärmetauscher, insbesondere ein Lamellenwärmetauscher. Solche Rohrwärmetauscher sind dem Fachmann gut bekannt, so dass auf eine detaillierte Beschreibung des konstruktiven Aufbaus an dieser Stelle verzichtet wird.
In dem in Fig. 11 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher im Einbauzustand des Fenstermoduls 1 unten, horizontal liegend, in dem Zwischenraum angeordnet, so dass er von Luft aus dem Zwischenraum durchströmbar ist. Wie der Fig. 11 ohne Weiteres entnehmbar ist, ist der Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher 5 angrenzend an die Innenverglasung 3 und angrenzend an das untere Rahmenelement 12U angeordnet.
In einer in den Figuren nicht gezeigten Ausgestaltungsvariante könnte der Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher 5 im Einbauzustand des Fenstermoduls 1 auch oben, horizontal liegend, in dem Zwischenraum angeordnet sein, so dass er von Luft aus dem Zwischenraum durchströmbar ist. In dieser in den Figuren nicht dargestellten, alternativen Ausgestaltungsvariante wäre der Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher 5 an die Innenverglasung 3 und angrenzend an das obere Rahmenelement 120 angeordnet.
Obwohl vom physikalischen Grundprinzip die Anordnung des Luft-Flüssigkeit-Wärmetauschers 5 sowohl unten als auch oben, horizontal liegend, in dem Zwischenraum 4 angeordnet sein kann, ist es aus konstruktiver Sicht bevorzugt, den Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher 5 in dem Zwischenraum 4 unten anzuordnen, wie dies in Fig. 11 dargestellt ist.
Die Anordnung des Luft-Flüssigkeit-Wärmetauschers 5 in dem Fenstermodul 1 ist derart, dass er von Luft aus dem Zwischenraum 4 durchströmbar ist. Die in dem Zwischenraum 4 geführte Luft gibt Wärme über den Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher 5 an das Wärmetransportmedium ab oder nimmt Wärme von diesem auf, so dass die in dem Zwischenraum 4 in einem Kreislauf geführte Luft gekühlt oder erwärmt wird. Das Wärmetransportmedium in dem Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher 5 wird in einer Vorrichtung 48, die dazu ausgebildet ist, in zumindest einem Kreislauf das Wärmetransportmedium von einem jeweiligen ersten Temperaturniveau auf ein j eweiliges zweites Temperaturniveau zu transportieren, gekühlt oder erwärmt.
Die genannte Vorrichtung, die nicht weiter im Detail beschrieben wird, kann eine Kraftwärmemaschine, z.B. ein Wärmetauscher, eine Wärmepumpe, eine Übergabestation eines Fernwärmenetzes oder eine verbrennungsbasierte Heizung sein. Das erste Temperaturniveau kann dabei größer als das zweite Temperaturniveau sein. In diesem Fall erfolgt ein Heizen des Nutzraums 30. Ist das erste Temperaturniveau kleiner als das zweite Temperaturniveau, kann eine Kühlung des Nutzraums 30 erfolgen.
Für eine Zwangsführung der in dem Zwischenraum 4 befindlichen Luft ist in dem Zwischenraum 4 ein Lüfter 10 angeordnet. Durch den Lüfter 10 wird Luft durch den Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher 5 in Pfeilrichtung H (Strömungsrichtung der Luft im Heizbetrieb), K (Strömungsrichtung der Luft im Kühlbetrieb) geführt, um Wärme zwischen der Luft und dem in dem Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher 5 geführten Wärmetransportmedium auszutauschen. Darüber hinaus dient der Lüfter 10 dazu, die Luft in dem Zwischenraum 4 in einem Kreislauf zu führen, deren Richtung durch die Pfeile H, K angedeutet ist.
Der Lüfter 10 ist im Einbauzustand des Fenstermoduls oben oder unten, horizontal liegend, in dem Zwischenraum 4 angeordnet. Die Anordnung des Lüfters 10 erfolgt in dem Zwischenraum 4 oben, horizontal liegend, wenn der Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher 5 unten, horizontal liegend, in dem Zwischenraum 4 angeordnet ist, wie dies in Fig. 11 dargestellt ist. In entsprechender Weise erfolgt die Anordnung des Lüfters 10 in dem Zwischenraum 4 unten, horizontal liegend, wenn der Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher 5 oben, horizontal liegend, in dem Zwischenraum 4 angeordnet ist. Diese Ausgestaltungsvariante ist, wie oben beschrieben, in den Figuren nicht dargestellt.
Der Lüfter 10 wird sowohl im Kühlbetrieb als auch im Heizbetrieb, welche Betriebsmodi des Fenstermoduls 1 darstellen, betrieben. Als Lüfter 10 wird vorzugsweise ein Querstromventilator eingesetzt. Dieser weist eine hohe Effizienz auf, da die Drehrichtung des Lüfters 10, unabhängig vom Betriebsmodus des Fenstermoduls 1, nicht verändert werden zu braucht.
Um die Luft in dem Zwischenraum 4 in einem Kreislauf zu führen, ist der Zwischenraum 4 in einen inneren Zwischenraum 4I und einen äußeren Zwischenraum 4A unterteilt, um - durch Zwangsführung durch den Betrieb des Lüfters 10 - eine steigende Luftströmung in dem inneren Zwischenraum 4I und eine fallende Luftströmung in dem äußeren Zwischenraum 4A zu ermöglichen. Die Unterteilung des Zwischenraums 4 in den äußeren Zwischenraum 4A und den inneren Zwischenraum 4I wird mit Hilfe eines in dem Zwischenraum 4 angeordneten Trennelements 19 sichergestellt.
Das Trennelement 19, z.B. eine feststehende transparente Trennwand 15, verläuft im Wesentlichen parallel zu der Außenverglasung 2 und der Innenverglasung 3. Dabei erstreckt sich das Trennelement 19 ohne Zwischenraum über die gesamte Breite des Fenstermoduls. Hierdurch wird ein "Kurzschluss" oder "Bypass" zwischen dem äu-ßeren Zwischenraum 4A und dem inneren Zwischenraum 4I seitlich des Trennelements 19 verhindert.
Das Trennelement 19 ist vorzugsweise derart in dem Zwischenraum 4 angeordnet, dass der zwischen der Außenverglasung 2 und dem Trennelement 19 gebildete Zwischenraum 4A größer ist als der zwischen der Innenverglasung 3 und dem Trennelement 19 gebildete Zwischenraum 4I. Das Verhältnis zwischen dem äußeren Zwischenraum 4A und dem inneren Zwischenraum 4I wird insbesondere abhängig vom Typ des Luft-Flüssigkeit-Wärmetauschers (insbesondere seinen Leistungsdaten) sowie seiner Einbaulage gewählt. Das Verhältnis kann beispielsweise 1,5:1, 2:1, 2,5:1 oder 3:1 betragen.
Die gesamte, zwischen der Außenverglasung 2 und der Innenverglasung 3 gebildete Länge des Zwischenraums 4 ist bevorzugt größer als 150 mm. Der zwischen der Innenverglasung 3 und der Außenverglasung 2 gebildete Abstand wird dabei ebenfalls abhängig vom Typ und der Leistungsklasse des Luft-Flüssigkeit-Wärmetauschers sowie seiner Einbaulage gewählt. Der Abstand kann auch anders gewählt werden und insbesondere wesentlich größer als 150 mm sein.
Sind der Lüfter 10 in dem Zwischenraum 4 oben und der Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher 5 unten in dem Zwischenraum 4 angeordnet, wie in Fig. 11 dargestellt ist, so wird die Luft aufgrund der Drehrichtung des Lüfters 10 in dem Zwischenraum 4I von unten nach oben, d.h. von dem Luft-Wärmetauscher 5 in Richtung des Lüfters 10, transportiert, während die Luft in dem äußeren Zwischenraum 4A von oben nach unten, d.h. vom Lüfter 10 in Richtung Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher 5, transportiert wird. Sind der Lüfter 10 und der Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher 5 in der erwähnten alternativen Konfiguration in dem Zwischenraum 4 angeordnet, ergibt sich eine Luftströmung in umgekehrter Richtung. In jedem Fall erfolgt ein Betrieb des Fenstermoduls derart, dass unabhängig vom Betriebsmodus (Heizen oder Kühlen) die Luft in dem Zwischenraum in der gleichen Richtung im Kreislauf geführt wird.
Wie aus der Querschnittsdarstellung der Fig. 11 hervorgeht, ergibt sich dann ein besonders einfacher konstruktiver Aufbau des Fenstermoduls 1, wenn sich das Trennelement 19 an einer Gehäusewand 10G des Lüfters 10 und einem Gehäuse oder Verbindungselement des Luft-Flüssigkeit-Wärmetauschers 5 abstützt.
Um eine Wartung der in dem Zwischenraum 4 enthaltenen Komponenten (Lüfter 10 und/oder Luft-Wärmetauscher 5) sowie eine Reinigung der Außenverglasung 2 auf seiner zum Innenraum 4 gewandten Seite sowie der Innenverglasung 3 in Richtung des Zwischenraums 4 als auch des Trennelements 19 zu ermöglichen, ist es zweckmäßig, wenn die Innenverglasung 3 und das Trennelement 19 zur Innenseite IS des Gebäudes bzw. Nutzraums 30 hin öffenbar sind. Hierzu können beispielsweise die Innenverglasung 3 und das Trennelement 19 an figürlich nicht dargestellten Gelenken, die sich beispielsweise an einem seitlichen Rahmenelement des Rahmens 12 befinden, befestigt sein, um ein Verschwenken wie bei einem herkömmlichen Fensterflügel zu ermöglichen. Das Verschwenken von Innenverglasung 3 und Trennelement 19 kann beispielsweise zur Seite hin, alternativ aber auch nach oben erfolgen. Die Richtung des Verschwenkens von Innenverglasung 3 und Trennelement 19 kann auch unabhängig voneinander erfolgen.
Das Fenstermodul 1 umfasst darüber hinaus eine steuerbar verstellbare Sonnenschutzvorrichtung 11 als Sonnenschutzfunktion. Die Sonnenschutzvorrichtung 11 ist in dem äußeren Zwischenraum 4A angeordnet. Sie grenzt insbesondere unmittelbar an die Außenverglasung 2 an, so dass bei aktivierter Sonnenschutzfunktion (d.h. teilweise oder vollständiger Überdeckung der Außenverglasung und daraus resultierender Beschattung des Nutzraums 30) der äußere Zwischenraum 4A vollständig oder im Wesentlichen zwischen der Sonnenschutzvorrichtung 11 und dem Trennelement 19 gebildet ist.
Die Sonnenschutzvorrichtung 11 kann beispielsweise, wie in Fig. 1 angedeutet, durch eine Jalousie, die am oberen Rahmenelement 120 befestigt ist, gebildet sein. In Fig. 11 ist die Jalousie in ihrer geöffneten Position dargestellt, in der die einzelnen Lamellen aneinander angrenzen. Wird der Abstand zwischen den aneinander angrenzenden Lamellen vergrößert, so kann die Jalousie von oben in Richtung des unteren Rahmenelements 12U verfahren werden. Durch die Einstellung des Winkels der Lamellen kann darüber hinaus festgelegt werden, wie viel Licht in Richtung der Innenseite IS durchgelassen werden soll. Ebenso kann durch das Maß der Überdeckung der Sonnenschutzvorrichtung 11 mit der Außenverglasung 2 bzw. der Innenverglasung 3 festgelegt werden, wie viel Strahlung durch die Sonnenschutzvorrichtung 11 absorbiert und reflektiert wird.
Die Sonnenschutzvorrichtung 11 ist bevorzugt aus einem Sonnenstrahlung absorbierenden und reflektierenden Material ausgebildet, die derart verstellbar ist, dass die Tageslichtstärke in dem Nutzraum 30 einstellbar ist. Die Sonnenschutzvorrichtung 11 kann alternativ zu der dargestellten Jalousie als Rollo, Doppelrollo, textiler Vorhang und dergleichen ausgeführt sein. Die mechanischen Komponenten sind dabei bevorzugt, wie in Fig. 11 dargestellt, an dem oberen Rahmenelement 120 derart befestigt, dass diese bei Deaktivierung in einem zwischen dem Gehäuse 10G des Lüfters und der Außenverglasung 2 gebildeten Zwischenraum vollständig aufgenommen werden können, wodurch die Sonnschutzvorrichtung 11 im deaktivierten Zustand außerhalb eines Sichtbereichs eines Nutzers ist.
Die Sonnenschutzvorrichtung 11 kann auch als schaltbares Glas in die Außenverglasung integriert sein. Hierzu können z.B. elektro-chrome Gläser eingesetzt werden, wie diese von der Firma SageGlass^® vertrieben werden (https://www.sageglass.com/de/intelligentes-glas/funktionsprinzip-elektrochromem-glas). In diesem Fall kann das in Fig. 11 gezeigte mechanische Sonnenschutzelement (Jalousie, Rollo, usw.) optional vorgesehen sein.
Dadurch, dass die Sonnenschutzvorrichtung 11 an die Außenverglasung 2 angrenzt, ergeben sich unabhängig von einer Aktivierung oder Nicht-Aktivierung der Sonnenschutzvorrichtung 11 in dem Zwischenraum ähnliche Strömungsverhältnisse bei der Zirkulation der Luft. Insbesondere ergibt sich dadurch im Vergleich zu einer anderen Anordnung der Sonnenschutzfunktion in dem Zwischenraum eine weniger turbulente Strömung der Luft, wodurch das Fenstermodul 1 mit höherer Effizienz und geringerer Geräuschentwicklung betrieben werden kann. Darüber hinaus kann durch das Angrenzen der Sonnenschutzvorrichtung 11 an die Außenverglasung 2 ein geringerer Wärmeeintrag in den Zwischenraum 4 des Fenstermoduls bewirkt werden. Zudem ergeben sich dadurch geringere Vibrationen und eine geringere mechanische Beanspruchung der in dem Zwischenraum angeordneten Komponenten.
Wie der Fig. 11 entnehmbar ist, sind in dem Zwischenraum 4 zwei (optionale) Leuchtmittel 6, 7 angeordnet, welche zur Abgabe von farbigem Licht ausgebildet sind. Die Leuchtmittel 6, 7 sind beispielsweise Lichtleiter oder Lichtbänder, welche jeweils eine Vielzahl an, insbesondere einzeln, steuerbaren LEDs, z.B. RGB-LEDs umfassen. Das Leuchtmittel 6 ist hierbei ein unteres Leuchtmittel, das in dem äußeren Zwischenraum 4A angrenzend an den Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher 5 angeordnet ist. Das Leuchtmittel 7 stellt ein oberes Leuchtmittel dar, das in dem äußeren Zwischenraum 4A angrenzend an den Lüfter 10 angeordnet ist.
Die Leuchtmittel 6, 7 dienen insbesondere dazu, durch die Farbe den Arbeitsmodus des Fenstermoduls zu signalisieren. Alternativ oder zusätzlich kann - bei geeigneter Ausgestaltung des Leuchtmittels 6, 7 - auch eine an den Nutzer gerichtete Information signalisiert werden. Solche Informationen können Signale im Sinne einer Mensch-Maschine-Interaktion sein. Beispielsweise können einfache Dinge auf einen Boden 32 oder eine Decke 31 (Fig. 2) des Nutzraums 30 projiziert werden, wie z.B. Flaggen einer Sportveranstaltung (Fußball-WM oder -EM).
Entgegen der zeichnerischen Darstellung kann in dem Fenstermodul auch nur eines der beiden Leuchtmittel 6, 7 vorgesehen sein. Alternativ können das oder die Leuchtmittel 6, 7 auch in dem inneren Zwischenraum 4I angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich können das oder die Leuchtmittel auch außerhalb des Zwischenraums 4, insbesondere angrenzend an die Innenverglasung 3, z.B. an oder in dem unteren oder oberen Rahmenelement 12U, 120, angeordnet sein.
Wie vorstehend beschrieben, umfasst der Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher 5 ein fluiddurchströmtes Kühl-/Heizelement mit einer Fluidleitung, in der das Wärmetransportmedium geführt ist. Eingangsseitig der Fluidleitung des Luft-Flüssigkeit-Wärmetauschers 5 ist ein steuer- oder regelbares Ventil 42 angeordnet, wobei durch die Stellung des Ventils 42 mittels eines Ventilantriebs 43 ein Volumenstrom des Wärmetransportmediums durch den Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher 5 zwischen 0 % und 100 % einstellbar ist. In Fig. 11 ist das Ventil lediglich schematisch und der Einfachheit halber außerhalb des Rahmens 12 des Fenstermoduls dargestellt. In der Praxis können das Ventil 42 und sein Ventilantrieb 43 z.B. in dem unteren Rahmenelement 12U angeordnet sein.
Der Ventilantrieb 43 ist beispielsweise ein Stellmotor, der mit elektrischer Energie versorgt wird. Zu diesem Zweck ist eine Energieversorgungsleitung 44 schematisch angedeutet, welche beispielsweise ebenfalls dem unteren Rahmenelement 12U zugeordnet ist bzw. in dieses führt.
Wie schematisch in Fig. 11 dargestellt ist, ist das Ventil 42 in einer Zuleitung 40 zu der Fluidleitung des Luft-Flüssigkeit-Wärmetauschers 5 angeordnet. Eine Rückleitung des Fenstermoduls 1, die ausgangsseitig mit der Fluidleitung des Luft-Flüssigkeit-Wärmetauschers 5 gekoppelt ist, ist schematisch mit dem Bezugszeichen 41 gekennzeichnet.
Das untere Rahmenelement 12U weist auf seiner zu dem Zwischenraum 4 gerichteten Wandseite ein wannenförmiges Verkleidungselement 13 auf. Hierdurch wird einerseits eine Luftumlenkung mit geringen Verwirbelungen in dem Zwischenraum 4 erzielt. Zum anderen kann, sollte der Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher 5 aufgrund eines technischen Defekts Flüssigkeit verlieren, das aus dem Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher 5 austretende Wärmetransportmedium sich in dem wannenförmigen Verkleidungselement 13 sammeln. Um eine solche Undichtigkeit des Luft-Flüssigkeit-Wärmetauschers 5 zu detektieren, ist es zweckmäßig, wenn am Boden des wannenförmigen Verkleidungselements 13 des unteren Rahmenelements 12U ein entsprechender Leckagesensor angeordnet ist.
In dem zwischen dem Boden des wannenförmigen Verkleidungselements 13 und der unteren Wandfläche des unteren Rahmenelements 12U gebildeten Zwischenraum ist vorzugsweise ein optionaler Lüftungskanal 9 ausgebildet, der die Außenseite AS des Gebäudes mit der Innenseite IS des Gebäudes bzw. Nutzraums 30 verbindet. Insbesondere ist der Lüftungskanal 9 an ein in den Figuren nicht näher dargestelltes Pulslüftungsgerät angeschlossen, um einen Luftaustausch ohne das Erfordernis einer gesonderten Lüftungsanlage in dem Gebäude zu ermöglichen.
Werden in einer Gebäudefassade mehrere Fenstermodule nebeneinander angeordnet, die dem gleichen Nutzraum 30 zugeordnet sind, so braucht nicht jedes Fenstermodul 1 mit einem solchen Lüftungskanal 9 versehen zu sein. Es ist beispielsweise ausreichend, z.B. ein Fenstermodul pro Nutzraum 30 oder jedes n-te Fenstermodul pro Nutzraum 30 mit einem Lüftungskanal 9 und zugeordnetem (Puls-)lüftungsgerät zu versehen.
Während in der zeichnerischen Darstellung der Fig. 11 der Lüftungskanal 9 unterhalb des wannenförmigen Verkleidungselements 9 angeordnet ist, könnte der Lüftungskanal 9 auch seitlich neben dem wannenförmigen Verkleidungselement 13 angeordnet sein, sofern sich der wannenförmige Querschnitt nicht über die gesamte Breite des unteren Rahmenelements 12U erstreckt. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass der Lüftungskanal 9 damit unterhalb des Luft-Flüssigkeit-Wärmetauschers 5 oder seitlich neben diesem angeordnet sein kann.
Wie aus der vorangegangenen Beschreibung deutlich wurde, umfasst das Fenstermodul 1 eine Mehrzahl an Aktoren (Ventilantrieb 43, drehzahlregelbarer Lüfter 10, Antrieb der Sonnenschutzvorrichtung 11, Leuchtmittel 6, 7) und Sensoren (Leckagesensor 8, verschiedene Temperatursensoren, usw.), zu deren Ansteuerung eine lokale Steuereinheit 20 vorgesehen ist. Unter dem Begriff der "Steuereinheit" ist eine Steuer- und Regeleinheit zu verstehen, d.h. eine Recheneinheit, die dazu ausgebildet ist, eine jeweilige technische Komponente abhängig von ihrer Anwendung zu steuern oder zu regeln.
Die Steuerung bzw. Regelung der Aktoren 6, 7, 10, 11, 43 erfolgt individuell in Abhängigkeit eines empfangenen Ist-Raumtemperaturwerts T_ist, so dass diese einem vorgegebenen Soll-Raumtemperaturwert T_soll entspricht. Lediglich beispielhaft ist die lokale Steuereinheit 20 in dem oberen Rahmenelement 120 angeordnet. Es versteht sich, dass diese mit der Energieversorgungsleitung 44 oder einer in das obere Rahmenelement 120 separat geführten Energieversorgungsleitung zu deren Energieversorgung verbunden ist.
Neben dem in Fig. 11 explizit dargestellten Leckagesensor 8 umfasst das Fenstermodul 1 die oben bereits erwähnten Sensoren, deren Messwerte zumindest der lokalen Steuereinheit 20 des Fenstermoduls 1 zur Verarbeitung für die Regelung und/oder Steuerung eines oder mehrerer Aktoren 6, 7, 10, 11, 43 bereitgestellt werden. Als Sensoren sind insbesondere jeweilige, in den Figuren nicht explizit dargestellte Temperatursensoren zur Erfassung der Temperaturen des Wärmetransportmediums am Eingang und/oder Ausgang der Fluidleitung des Luft-Flüssigkeit-Wärmetauschers 5 und/oder der Temperaturen der Luft am Eingang und/oder Ausgang des Luft-Flüssigkeit-Wärmetauschers 5 vorgesehen.
Die lokale Steuereinheit 20 ist dazu ausgebildet, Daten mit einer zentralen Steuereinheit 25 auszutauschen, d.h. Daten von der zentralen Steuereinheit 25 zu empfangen und/oder Daten an die zentrale Steuereinheit 25 zu übermitteln. Die zentrale Steuereinheit 25 ist insbesondere eine zentrale Steuereinheit des gesamten Gebäudes oder eines Gebäudeteils, z.B. eines Stockwerks, Gebäudeflügels, Gebäudesegments, Nutzraums oder Gruppe von Nutzräumen. Die zentrale Steuereinheit 25 kann die Steuereinheit eines Gebäudeleitsystems sein oder Teil eines Steuersystems eines Gebäudeleitsystems sein.
Für die Datenkommunikation umfasst die lokale Steuereinheit 20 eine nicht explizit dargestellte Schnittstelle, an der sie zumindest den bereits genannten Ist-Raumtemperaturwert T_ist und den vorgegebenen Soll-Raumtemperaturwert T_soll von der zentralen Steuereinheit 25 empfängt. Ebenso kann die lokale Steuereinheit 20 von der zentralen Steuereinheit 25 an der Schnittstelle ein Steuersignal (Auf, Ab) für den Antrieb der Sonnenschutzvorrichtung 11 empfangen. Ein solches Steuersignal kann beispielsweise automatisiert erzeugt werden, wenn das Fenstermodul 1 in einer, z.B. nach Süden ausgerichteten Gebäudefassade, starker Sonnenstrahlung ausgesetzt ist. Das Steuersignal kann auch an einer nicht dargestellten Nutzraum-Bedieneinheit nutzerbasiert erzeugt werden.
Die zentrale Steuereinheit 25 kann zur Erzeugung der Steuersignale (T_ist, T_soll, Auf, Ab) mit weiteren Sensoren, z.B. einem Raumsensor 33, verbunden sein. Der Sensor 33 kann einen oder mehrere gleicher oder unterschiedliche Sensoren umfassen, die zur messtechnischen Ermittlung unterschiedlicher Sensorwerte ausgebildet sind und diese an die zentrale Steuereinheit 25 übertragen. Ein solcher Sensor wird auch als Multi-Sensor bezeichnet. Beispielsweise kann der Sensor 33, der z.B. an der Decke 31 des Nutzraums 30 angeordnet ist, die aktuelle Raumtemperatur (Ist-Raumtemperaturwert T_ist), eine Ist-Luftfeuchtigkeit (rH_ist), eine aktuelle Beleuchtungsstärke (Lux) einen aktuellen Kohlendioxidwert (CO₂), eine aktuelle Lautstärke (dBA), die Präsenz eines oder mehrerer Personen in den Nutzraum 30 und andere Werte erfassen. Aus diesen Informationen generiert die zentrale Steuereinheit 25 dann die entsprechenden Steuerinformationen und überträgt diese an die lokale Steuereinheit 20.
Die zentrale Steuereinheit 25 kann beispielsweise mit mehreren (Multi-)Sensoren einer Mehrzahl an Nutzräumen gekoppelt sein, um von diesen jeweilige Daten zur Verarbeitung zu empfangen.
In den Figuren 1 bis 8 werden nachfolgend vier unterschiedliche Ausgestaltungsvarianten der Erfindung anhand eines erfindungsgemäßen Gebäudes 100 mit mehreren Stockwerken beschrieben, wobei die Figuren 1, 3, 5 und 7 das Gebäude 100 in einer seitlichen Ansicht zeigen, und die Figuren 2, 4, 6 und 8 ein jeweils ausgewähltes Stockwerk der beschriebenen Ausführungsvariante in einer Draufsicht zeigen.
Die Konfiguration des erfindungsgemäßen Gebäudes 100, die für alle vier Ausführungsbeispiele gleich ist, wird exemplarisch anhand der Figuren 1 und 2 beschrieben, welche die erste Ausgestaltungsvariante zeigen.
Wie aus der seitlichen Ansicht der Figur 1 hervorgeht, umfasst das Gebäude 100 lediglich beispielhaft drei Ebenen 101, 102, 103. Die Ebenen 101, 102, 103 werden nachfolgend auch als Stockwerke bezeichnet. Die Ebene 101 stellt beispielsweise ein Erdgeschoss dar. Die Ebenen 102 und 103 stellen ein erstes Stockwerk und ein zweites Stockwerk dar. Die Anzahl der Ebenen bzw. Stockwerke 101 bis 103 kann grundsätzlich beliebig gewählt werden, d.h. das erfindungsgemäße Kühl- und Heizsystem könnte auch in Gebäuden zum Einsatz kommen, welche lediglich eine Ebene oder mehr als eine Ebene aufweisen.
Das in Figur 1 dargestellte Gebäude 100 weist zwei in gegenüberliegende Himmelsrichtungen orientierte Fassadenflächen 111 und 112 auf. Beispielsweise ist die Fassadenfläche 111 in Richtung Norden und die Fassadenfläche 112 in Richtung Süden orientiert. Die die Fassadenflächen 111 und 112 verbindenden Gebäudeseiten sind in der Darstellung nicht ersichtlich. Diese können bei einem Gebäude mit rechteckigem Grundriss in Richtung Westen und Osten orientiert sein. Grundsätzlich kann die Fußform des Gebäudes jedoch eine beliebige Gestalt aufweisen, so dass die Fassadenflächen in beliebige Himmelsrichtungen orientiert sein können.
Mit den Bezugszeichen 105, 107 und 109 sind jeweilige Geschossböden der Ebenen 101 bis 103 bezeichnet. In entsprechender Weise sind mit den Bezugszeichen 106, 108 und 110 jeweilige Geschossdecken der Ebenen 101 bis 103 bezeichnet. Der Geschossboden 105 der untersten Ebene 101 liegt beispielhaft in etwa auf dem Niveau einer Bodenoberfläche 104 des Gebäudes 100. Unterhalb des Gebäudes 100, z.B. in einem nicht explizit dargestellten Kellergeschoss, ist eine Technikzentrale 114 angeordnet.
In der Technikzentrale 114 ist eine Vorrichtung 50 zur Temperaturniveauanpassung angeordnet. Die Vorrichtung 50 zur Temperaturniveauanpassung ist dazu ausgebildet, in zumindest einem Kreislauf das Wärmetransportmedium von einem jeweiligen ersten Temperaturniveau (Eingangs-Temperaturniveau) auf ein jeweiliges zweites Temperaturniveau (Ausgangs-Temperaturniveau) zu transportieren. Das erste Temperaturniveau kann dabei größer als das zweite Temperaturniveau sein, oder umgekehrt. Das zweite Temperaturniveau stellt eine Vorlauf-Temperatur für die Fenstermodule 1 als Verbrauchsanordnung dar.
Wie am besten aus der Draufsicht gemäß Figur 2 hervorgeht, welche eine Ansicht der ersten Ebene 101 dargestellt, ist in der Fassadenfläche 111 eine Anzahl von n Fenstermodulen 1-1,..., 1-n (allgemein: 1-i, wobei i = 1...n mit n > 1) angeordnet. In entsprechender Weise ist in der Fassadenfläche 112 eine Anzahl von m Fenstermodulen 1-1,..., 1-m (allgemein: 1-j, wobei j = 1...m mit m > 1) angeordnet. Die Anzahl n kann dabei der Anzahl m entsprechen (n = m) oder unterschiedlich (n ≠ m) sein.
Die Fenstermodule 1-i und 1-j in den Fassadenoberflächen 111, 112 sind identisch, wie oben beschrieben, aufgebaut und erstrecken sich jeweils zwischen Geschossboden und Geschossdecke der jeweiligen Ebene bzw. des jeweiligen Stockwerks. Die Fenstermodule 1-i und 1-j stellen die Verbrauchsanordnung für das Kühl- und Heizsystem des Gebäudes 100 dar.
Die Technikzentrale 114 ist, wie dies besser aus der Draufsicht gemäß Figur 2 hervorgeht, vorzugsweise in räumlicher Nähe bzw. unterhalb eines (vorzugsweise zentral in der Ebene angeordneten) Steigschachtes 113 angeordnet. In dem Steigschacht 113 verlaufen Leitungen eines Leitungssystems 60, in der das Wärmetransportmedium in dem zumindest einen Kreislauf zwischen der Vorrichtung 50 zur Temperaturniveauanpassung und der Vielzahl von Fenstermodulen 1-i und 1-j zirkuliert. Dem Fachmann ist klar, dass das Gebäude 100 auch mehr als einen Steigschacht, der über alle oder einen Teil der Ebenen geht, aufweisen kann.
Das Leitungssystem 60 umfasst eine Zuleitungsanordnung 61 und eine Rückleitungsanordnung 62. Das Leitungssystem 60 und deren Zuleitungsanordnung 61 sowie Rückleitungsanordnung 62 sind abschnittsweise als 2-Leiter-System und/oder 4-Leiter-System ausgebildet. Die genaue Ausbildung ist zum einen abhängig davon, welcher Typ von Vorrichtung 50 zur Temperaturniveauanpassung in dem Gebäude 100 eingesetzt wird. Zum anderen hängt dies von der Anzahl und Anordnung von steuerbaren Umschalteinrichtungen 91 bis 98 in dem Leitungssystem 60 ab. Details werden nachher in Verbindung mit der Beschreibung der vier unterschiedlichen Ausgestaltungsvarianten genauer beschrieben.
Die Vorrichtung 50 zur Temperaturniveauanpassung ist dazu ausgebildet, in einer Zuleitung eines ersten Leitungspaars 71, welches von der Vorrichtung 50 abgeht, das Wärmetransportmedium mit einer ersten, hohen Temperatur als das zweite Temperaturniveau bereitzustellen. Insbesondere wird hierdurch ein Heizbetrieb des Gebäudes 100 ermöglicht. Ferner ist oder kann die Vorrichtung 50 zur Temperaturniveauanpassung dazu ausgebildet sein, in einer Zuleitung eines zweiten Leitungspaars 72, welche ebenfalls von der Vorrichtung 50 zur Temperaturniveauanpassung abgeht, das Wärmetransportmedium mit einer zweiten, niedrigen Temperatur, die geringer ist als das zweite Temperaturniveau, bereitzustellen, wobei die zweite, hohe Temperatur größer ist als die erste, niedrige Temperatur. Hierdurch wird insbesondere ein Kühlen des Gebäudes 100 ermöglicht.
Die erste, niedrige Temperatur und die zweite, hohe Temperatur sind insbesondere als unterschiedliche Vorlauf-Temperaturen für die Fenstermodule 1-i und 1-j in dem Gebäude 100 zu verstehen. So kann die erste, hohe Temperatur ebenso wie die zweiten, niedrige Temperatur auch zum Kühlen Temperatur genutzt werden, wobei Kühlleistungen jedoch unterschiedlich stark sind.
Wenn in der vorliegenden Beschreibung von "dem Gebäude" die Rede ist, so umfasst dies nicht nur das Gebäude 100 als Ganzes, sondern auch einzelne Gebäudeteile oder einzelne oder mehrere Nutzräume. Mithilfe der Vorlauf-Temperaturen können unterschiedliche Nutzräume, welche beispielsweise der Fassadenfläche 111 mit Nordorientierung zugeordnet sind, mit der ersten, hohen Temperatur konditioniert werden, während Nutzräume, die der in Richtung Süden orientierten Fassadenfläche 112 zugeordnet sind, mit der zweiten, niedrigen Temperatur konditioniert werden. Dieses Vorgehen ermöglicht insbesondere dezentrale Taupunktverschiebungen.
Die Vorrichtung 50 zur Temperaturniveauanpassung kann beispielsweise eine Luft-Wasser-Wärmepumpe, die mit Außenluft betrieben wird, sein. Alternativ kann als Vorrichtung 50 zur Temperaturniveauanpassung eine Sole-Wasser-Wärmepumpe mit Erdsonden oder Erdkollektoren zum Einsatz kommen. Ebenso denkbar ist eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe, die mit Grundwasser oder kalter Nah-/Fernwärme betrieben wird. Solche Wärmepumpen stellen ein Temperaturniveau bereit, mit dem sich das Kühl- und Heizsystem besonders effizient betreiben lässt. Alternativ kann die Vorrichtung 50 zur Temperaturniveauanpassung auch durch einen Anschlussknoten eines Nah- oder Fernwärmenetzes, das Wärme und/oder Kälte bereitstellt, gebildet sein. Vorrichtungen der genannten Art stellen sogenannte 4-Leiter-Systeme dar.
Diese werden direkt an eine oder mehrere der Umschalteinrichtung 91 bis 98 angeschlossen.
Die Umschalteinrichtungen 91 bis 98 haben die Aufgabe, von den zwei Temperaturen, die (im 4-Leitersystem) auf dem jeweiligen zweiten Temperaturniveau ankommen, eine auszuwählen und in das nachfolgende 2-Leiter-System zu speisen, mit dem die Fenstermodule 1-i und 1-j verbunden sind. Die Umschalteinrichtungen 91 bis 98 können beispielsweise als 6-Wege Umschaltventil ausgebildet sein. Hierzu können beispielsweise die von der Firma Danfoss^® bekannten Ventile, abrufbar unter https:/ /www.danfoss.com/de-de/products/ dhs/3 -differential-pressure-and - fl ow-controllers/hydronic-balancing-and-control/novocon-and-changeover6/changeover6 , eingesetzt werden. Alternativ können jeweilige Umschalteinrichtungen 91 bis 98 Absperrklappen umfassen, um jeweils diejenige Zulaufleitung abzusperren, die nicht verwendet werden soll. Da diese nicht dynamisch auf Druckveränderungen reagieren, ist eine statische Voreinstellung erforderlich, wie beispielsweise unter https://www.imi-hydronic.com/de-de/product/eclipse beschrieben.
Jede der Umschalteinrichtungen 91 bis 98 umfasst somit eine erste Anschlusseinheit, eine zweite Anschlusseinheit und eine dritte Anschlusseinheit (diese sind in den Figuren nicht explizit dargestellt). An die erste Anschlusseinheit sind die Zuleitung und eine Rückleitung des ersten Leitungspaars 71 angeschlossen (siehe beispielsweise Figur 1). An die zweite Anschlusseinheit sind die Zuleitung und eine Rückleitung des zweiten Leitungspaars 72 angeschlossen. An der dritten Anschlusseinheit ist eine Zuleitung und eine Rückleitung zu den Fenstermodulen bzw. einer bestimmten Teilanzahl an Fenstermodulen 1-i und 1-j angeschlossen.
Der Begriff Zuleitung umfasst jeweils eine einzelne Leitung, von der Abzweige zu den jeweiligen Fenstermodulen weggehen, als auch ein Leitungssystem, in dem Leitungen beliebig verzweigt verschaltet sein können. Der Begriff Rückleitung umfasst in entsprechender Weise eine einzelne Leitung, von der Abzweige von den jeweiligen Fenstermodulen einmünden, als auch ein Leitungssystem, in dem Leitungen beliebig verzweigt verschaltet sein können.
Als Vorrichtung 50 zur Temperaturniveauanpassung kann auch ein Anschlussknoten eines Nah- oder Fernwärmenetzes, das lediglich Wärme bereitstellt, eingesetzt werden. Denkbar sind ebenso Energieerzeuger, die regenerative Energien, insbesondere Biomasse oder Wasserstoff, als Brennstoff verbrauchen. Alternativ können als Vorrichtung 50 zur Temperaturanpassung auch Energieerzeuger, die fossile Brennstoffe wie Gas oder Öl, verbrauchen, eingesetzt werden. Die Vorrichtungen dieser genannten Art basieren auf sogenannten 2-Leiter-Systemen, die um eine Vorrichtung zur Kälteerzeugung ergänzt werden müssen. Im Vergleich zu Wärmepumpen ist zudem die erste Temperatur höher als notwendig für den Betrieb des Kühl- und Heizsystems. Als Einrichtung zur Kälteerzeugung kann die Vorrichtung 50 zur Temperaturniveauanpassung insbesondere eine Kompressionskältemaschine umfassen oder eine solche der Vorrichtung 50 zur Temperaturniveauanpassung zur Seite gestellt werden.
Die erste, in den Figuren 1 und 2 dargestellte Ausgestaltungsvariante umfasst eine (genau eine) steuerbare Umschalteinrichtung 91, mit der sämtliche Fenstermodule 1-i und 1-j in dem Gebäude 100 im gleichen Betriebsmodus betrieben werden. Die Umschalteinrichtung 91 ist vorzugsweise in dem Technikraum angeordnet. In dieser Ausgestaltungsvariante kann das gesamte Gebäude nur heizen oder kühlen. Eine Energieverschiebung ist nur über die Vorrichtung 50 zur Temperaturniveauanpassung möglich. Die Ausgestaltungsvariante weist eine geringe Komplexität des Leitungssystems auf und kommt daher vorzugsweise in kleineren Gebäuden zum Einsatz. Zweckmäßig ist eine solche Ausgestaltung insbesondere bei solchen Gebäuden, bei denen die Fassaden im Wesentlichen ähnlich orientiert sind.
Das Leitungssystem 60 in der ersten Ausgestaltungsvariante umfasst ein Steigleitungspaar 63, welches Teil der Zuleitungsanordnung 61 und der Rückleitungsanordnung 62 ist. In jeder Ebene 101 bis 103 gehen von dem Steigleitungspaar 63 jeweilige Strangleitungspaare 64 und 65 (Ebene 101), 66 und 67 (Ebene 102) und 68 und 69 (Ebene 103) in horizontaler Richtung ab. Dabei verbinden die Strangleitungspaare 64, 66, 68 die Fenstermodule der ersten Fassadenfläche 111 und die Strangleitungspaare 65, 67, 69 die Fenstermodule der zweiten Fassadenfläche 112 auf der jeweiligen Ebene 101 bzw. 102 bzw. 103 mit dem Steigleitungspaar 63.
Das Kühl- und Heizsystem gemäß der ersten Ausgestaltungsvariante ist vergleichsweise statisch und erlaubt wenig Steuer- und Regelungsmöglichkeiten. Daher ist es insbesondere vorzugsweise nur bei kleinen Gebäuden sinnvoll einsetzbar. Beispielsweise lassen sich einzelne Räume konditionieren. Wenn es in einem Raum zu warm wird, kann die Heizung in diesem Raum abgeschaltet werden. Der Raum kann jedoch nicht gekühlt werden, solange das gesamte Gebäude im Heizbetrieb ist.
Die zweite, in den Figuren 3 und 4 dargestellte Ausgestaltungsvariante umfasst Umschalteinrichtungen 92 bis 95, wobei diese pro Ebene jeweiligen Fenstermodulen 1-i und 1-j auf den Fassadenflächen 111 und 112 zugeordnet sind. Grundsätzlich kann jedem Fenstermodul 1-i und 1-j jeweils genau eine Umschalteinrichtung zugeordnet sein. In einer alternativen Ausgestaltungsvariante könnte auch einer Gruppe, d.h. einer Teilanzahl, von Fenstermodulen einer jeweiligen Ebene 101 und Fassadenfläche 111 bzw. 112 eine gemeinsame Umschalteinrichtung zugeordnet sein. Diese Variante ist in den Zeichnungen nicht explizit dargestellt. In der zweiten Ausgestaltungsvariante ergibt sich eine Umschaltungsmöglichkeit an jedem einzelnen Fenstermodul bzw. Gruppe von Fenstermodulen. Dies bedeutet, jedes individuelle Fenstermodul bzw. Gruppe von Fenstermodulen kann separat geheizt oder gekühlt werden, wobei eine Energieverschiebung zwischen den Fenstermodulen bzw. Gruppen von Fenstermodulen möglich ist.
Die Umschalteinrichtungen sind, wie dies insbesondere der Figur 4 entnehmbar ist, somit in den jeweiligen Ebenen 101 bis 103 und den zugeordneten Fassadenflächen 111, 112 vorgesehen. In dieser Ausgestaltungsvariante sind die Umschalteinrichtungen vorzugsweise in räumlicher Nähe zu den jeweiligen Fenstermodulen 1-i und 1-j angeordnet. Sie können auch in dem Steigschacht 113 angeordnet sein.
Das Leitungssystem 60 umfasst in dieser Ausgestaltung ein Steigleitungspaar 73, das sich in vertikaler Richtung durch den Steigschacht 113 über die jeweiligen Ebenen 101 bis 103 erstreckt. Das Steigleitungspaar 73 ist, abhängig von der Vorrichtung 50 zur Temperaturniveauanpassung, vorzugsweise als 4-Leiter-System ausgeführt. Auf den jeweiligen Ebenen bzw. Stockwerken 101 bis 103 zweigen von dem Steigleitungspaar 73 jeweilige Strangleitungspaare 74 bis 79 in Richtung der zugeordneten Fassadenflächen 111 und 112 bzw. Fenstermodule bzw. Gruppen von Fenstermodulen ab.
Aufgrund der Vielzahl von erforderlichen Umschalteinrichtungen ist die zweite Ausgestaltungsvariante aufwendig und teuer. Von Vorteil ist, dass sich eine sehr feingranulare thermische Regulierung des Gebäudes bzw. einzelner Nutzräume realisieren lässt.
Die dritte, in den Figuren 5 und 6 dargestellte Ausgestaltungsvariante umfasst Umschalteinrichtungen 92, 94 auf jeder Ebene 101 bis 103, wobei im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Umschalteinrichtung 92 den Fenstermodulen 1-i der Fassadenfläche 111 und eine Umschalteinrichtung 94 den Fenstermodulen 1-j der Fassadenfläche 112 zugeordnet ist. Anstelle lediglich eine Umschalteinrichtung pro Stockwerk und allen Fenstermodulen des Stockwerks einer Fassadenfläche vorzusehen, könnten auch pro Fassadenfläche und Stockwerk mehrere Umschalteinrichtungen vorgesehen sein, um Gruppen von Fenstermodulen einer jeweiligen Umschalteinrichtung zuzuordnen.
Die Umschalteinrichtungen 92, 94 können bei dieser sogenannten "horizontalen Modulgruppenbauweise" in dem Steigschacht 113 angeordnet werden. Durch entsprechende Steuerung können die Umschalteinrichtungen 92, 94 für jede Gruppe zum selektiven Heizen oder Kühlen genutzt werden. Insbesondere erlaubt es die dritte Ausgestaltungsvariante, eine Energieverschiebung zwischen den Fenstermodulen auf einer Ebene bzw. einem Stockwerk vorzunehmen.
Das Leitungssystem 60 umfasst in der dritten Ausgestaltungsvariante das Steigleitungspaar 73, das sich in vertikaler Richtung durch den Steigschacht 113 über die jeweiligen Ebenen 101 bis 103 erstreckt. Das Strangleitungspaar 73 ist als 4-Leiter-System ausgeführt. Auf den jeweiligen Ebenen bzw. Stockwerken 101 bis 103 zweigen von dem Steigleitungspaar 73 jeweilige Strangleitungspaare 74 bis 79 in Richtung der zugeordneten Fassadenflächen 111 und 112 bzw. Fenstermodule bzw. Gruppen von Fenstermodulen ab.
Da die Anzahl der erforderlichen Umschalteinrichtungen bei der dritten Ausgestaltungsvariante verhältnismäßig gering ist, wobei gleichzeitig eine Energieverschiebung, insbesondere zwischen Gruppen von Fenstermodulen auf unterschiedlichen Fassadenflächen, möglich ist, lässt sich das Kühl- und Heizsystem in dieser Ausgestaltung auf technisch einfache und kostengünstige Weise bewerkstelligen.
Die vierte, in den Figuren 7 und 8 dargestellte Ausgestaltungsvariante umfasst Umschalteinrichtungen 96 bis 98 auf beispielhaft zwei verschiedenen Ebenen zur Versorgung der insgesamt drei Ebenen des Gebäudes 100. Die Umschalteinrichtungen 96, 97 sind dabei der Ebene 101 in der Fassadenfläche 111 sowie den Ebenen 101 bis 103 der Fassadenfläche 112 zum Betrieb mit einer ersten Vorlauf-Temperatur zugeordnet. Die Umschalteinrichtung 98 versorgt die Fenstermodule der Ebenen 102 und 103 der Fassadenfläche 111 mit einer zweiten Vorlauf-Temperatur. Die Umschalteinrichtungen 96 bis 98 können wiederum z.B. zentral in dem Gebäude 100 in dem Steigschacht 113 angeordnet sein.
Gemäß dieser vierten Ausgestaltungsvariante erfolgt eine Steuerung der Umschalteinrichtungen für jede Gruppe von Fenstermodulen auf Heizen oder Kühlen, wobei eine Energieverschiebung zwischen den Gruppen von Fenstermodulen möglich ist. Die Ausgestaltungsvariante ermöglicht, auf einer Fassadenseite, z.B. 112, zu heizen und auf der anderen Fassadenseite 111 gleichzeitig zu kühlen.
Die gemäß der ersten bis vierten Ausgestaltungsvariante gezeigten Realisierungen können auch in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden. Je mehr Fenstermodule einer Gruppe und damit einer Umschalteinrichtung zugeordnet werden, desto geringer wird die Flexibilität, z.B. bei einer Neuaufteilung der Nutzräume im Inneren des Gebäudes. Je geringer die Anzahl an Fenstermodulen pro Gruppe, d.h. zugeordnete Umschalteinrichtung ist, desto größer wird die Anzahl der erforderlichen Umschalteinrichtungen. Hierdurch steigt der Aufwand des Leitungssystems und die Gestehungskosten an. Für jedes Gebäude 100 muss hierzu, abhängig von der Orientierung der Fassadenflächen, der Verschattung, usw. eine geeignete Bemessung gefunden werden. Dies kann z.B. durch Simulationen erfolgen.
Abhängig von der Gebäudegröße und der Gebäudestruktur können in unterschiedlichen Gebäudeteilen unterschiedliche Ausgestaltungsvarianten, wie oben beschrieben, zur Anwendung gelangen.
Anhand der Figuren 8 und 9 wird die bereits oben erwähnte Energieverschiebung näher erläutert. Das Ziel der Energieverschiebung zwischen einzelnen Gruppen von Fenstermodulen besteht darin, Energie möglichst lokal zu nutzen, um Rohrleitungsverluste zu minimieren und den erforderlichen Energieeinsatz für Pumpen und dergleichen so gering wie möglich zu halten.
In dem in Figur 9 gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt eine direkte Energieverschiebung zwischen den Fenstermodulen 1-i der Fassadenfläche 111 und den Fenstermodulen 1-j der Fassadenfläche 112, die z.B. auf der gleichen Ebene angeordnet sind. In diesem Beispiel sind die Fenstermodule 1-j der Fassadenfläche 112 zum Süden hin orientiert, wobei die Sonneneinstrahlung mit dem Pfeil SR gekennzeichnet ist. Zu diesem Zweck sind ein zu den Fenstermodulen 1-j führender Zuleitungsstrang 85 und ein Rückleitungsstrang 86 über eine erste Umschalteinrichtung 92 mit einem Verteiler 84 gekoppelt. Ein zu den Fenstermodulen 1-i führender Zuleitungsstrang 87 und ein Rückleitungsstrang 88 sind über eine zweite Umschalteinrichtung 94 mit dem Verteiler 84 gekoppelt. Der Verteiler 84 ist mit der Vorrichtung 50 zur Temperaturniveauanpassung gekoppelt.
Eine aus Pumpen und Ventilen bestehende Verteileranordnung ist dazu ausgebildet, die Energieverschiebung zwischen den zwei Gruppen von Fenstermodulen, d.h. zwischen den Fenstermodulen 1-i der Fassadenfläche 111 und den Fenstermodulen 1-j der Fassadenfläche 112, die an unterschiedliche Umschaltbaugruppen 92 und 94 angeschlossen sind, vorzunehmen. Die Verteileranordnung umfasst in diesem Beispiel zwei Ventile 81, 82 und eine Pumpe 83. Die Verteileranordnung ist dazu ausgebildet, zur Energieverschiebung den Rückleitungsstrang 86 der Fenstermodule 1-j durch das Ventil 81 mit dem Zuleitungsstrang 87 der Fenstermodule 1-i und den Zuleitungsstrang 85 der Fenstermodule 1-j mit dem Ventil 82 mit dem Rückleitungsstrang 88 der Fenstermodule 1-i zu verbinden. Hierdurch wird eine effiziente, direkte Energieverschiebung zwischen den Gruppen von Fenstermodulen ermöglicht. Das Leitungssystem der beiden Gruppen von Fenstermodulen 1-i und 1-j ist, wie beschrieben, über die zwei Umschalteinrichtungen 92, 94 an den Verteiler 84 angeschlossen.
Im Ergebnis ergeben sich keine bzw. geringe Leitungsverluste und ein geringer Energiebedarf für den Antriebsstrom der Pumpe 83, da kleine Pumpen eingesetzt werden können bzw. die Pumpen weniger laufen müssen. Die Energie kann in dieser Variante nur zwischen zugeordneten Gruppen von Fenstermodulen bzw. Kreisen verschoben werden. Zudem ist auf jeder Ebene 101 bis 103 des Gebäudes ein erforderlicher Platzbedarf vorzusehen. Diese Variante lässt sich insbesondere bevorzugt mit der dritten Ausgestaltungsvariante (Figuren 5 und 6) kombinieren.
Bei der in Figur 10 gezeigten Ausgestaltungsvariante, die wiederum die Fenstermodule 1-i der Fassadenfläche 111 (Nordseite) und 1-j der Fassadenfläche 112 (Südseite) zeigt, erfolgt eine (zentrale oder indirekte) Energieverschiebung zwischen den jeweiligen Fenstermodulen bzw. Gruppen von Fenstermodulen über die Vorrichtung 50 zur Temperarturanpassung bzw. den Verteiler. Dies bedeutet, die Zuleitungsstränge 85, 87 und die Rückleitungsstränge 86, 88 sind über die jeweils zugeordneten Umschalteinrichtungen 92, 94 unmittelbar (d.h. ohne das Vorhandensein der aus Pumpen und Ventilen bestehenden Verteilanordnung) an den Verteiler 84 angeschlossen. Der Verteiler 84 ist einerseits mit der Vorrichtung 50 zur Temperaturniveauanpassung sowie einer (optionalen) Wärmesenke 115, z.B. einem Erdwärmespeicher, verbunden.
Von Vorteil ist, dass die Technik zur Energieverschiebung in der Technikzentrale 114 angeordnet werden kann. Von Nachteil ist, dass sich größere Leitungsverluste ergeben. Zudem ist eine größere Pumpe (nicht dargestellt) erforderlich, welche einen größeren Antriebsstrom erfordert. Darüber hinaus sind derartige Pumpen länger bzw. häufiger zu betreiben. Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Anordnung besteht darin, dass Energie zwischen allen Gruppen von Fenstermodulen im Gebäude verschoben werden kann. Darüber hinaus entfällt der Platzbedarf auf jeder Gebäudeebene 101 bis 103. Die in Figur 10 gezeigte Alternative der Energieverschiebung funktioniert mit allen Ausgestaltungsvarianten, wie diese in Verbindung mit den Figuren 1 bis 8 beschrieben wurden.

Bezugszeichenliste

1: Fenstermodul
1-i mit i=1...n: Fenstermodul
1-j mit j=1...m: Fenstermodul
2: Außenverglasung
3: Innenverglasung
4: Zwischenraum
4I: innerer Zwischenraum
4A: äußerer Zwischenraum
5: Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher
5G: Gehäuse des Luft-Flüssigkeit-Wärmetauschers
6: Leuchtmittel (unteres Lichtband)
7: Leuchtmittel (oberes Lichtband)
8: Leckagesensor
9: Lüftungskanal
10: Lüfter
10G: Lüftergehäuse
11: Sonnenschutzvorrichtung
12: Rahmen
120: oberes Rahmenelement
12U: unteres Rahmenelement
13: Verkleidungselement
19: Trennelement
20: lokale Steuereinheit
25: zentrale Steuereinheit
30: Nutzraum
31: Decke
32: Boden
33: Sensor (Multi-Sensor)
40: Zuleitung
41: Rückleitung
42: Ventil
43: Ventilantrieb
44: Energieversorgungsleitung
50: Vorrichtung zur Temperaturniveauanpassung
51: Kombinationserzeuger
60: Leitungssystem
61: Zuleitungsanordnung
62: Rückleitungsanordnung
63: Steigleitungspaar
64-69: Strangleitungspaar
71: erstes Leitungspaar für hohes erstes Temperaturniveau (Heizen)
72: zweites Leitungspaar für geringes erstes Temperaturniveau (Kühlen)
73: Steigleitungspaar
74-79: Strangleitungspaar
81: Ventil
82: Ventil
83: Pumpe
84: Verteiler
85, 87: Zuleitungsstrang
86, 88: Rückleitungsstrang
91: Umschalteinrichtung
92-95: Umschalteinrichtung
96-98: Umschalteinrichtung im Steigschacht
100: Gebäude
101-103: Ebene (Stockwerk)
104: Bodenoberfläche des Gebäudes
105-107: Geschossboden der Ebenen 101-103
108-110: Geschossdecke der Ebenen 101-103
111, 112: Fassadenfläche
113: Steigschacht
114: Technikzentrale
115: Wärmesenke
H: Wärmefluss Kühlen
K: Wärmefluss Heizen
AS: Außenseite des Gebäudes (Umgebung)
IS: Innenseite des Gebäudes (Gebäudeinneres)
SR: Sonneneinstrahlung

Claims

Kühl- und Heizsystem für ein Gebäude (100), umfassend:
- eine Vorrichtung (50) zur Temperaturniveauanpassung, die dazu ausgebildet ist, in zumindest einem Kreislauf ein Wärmetransportmedium von einem jeweiligen ersten Temperaturniveau auf ein jeweiliges zweites Temperaturniveau zu transportieren;

- ein Leitungssystem (60), umfassend eine Zuleitungsanordnung (61) und eine Rückleitungsanordnung (62), in der das Wärmetransportmedium in dem zumindest einen Kreislauf zwischen der Vorrichtung (50) zur Temperaturniveauanpassung und einer Verbrauchsanordnung zirkuliert;

- eine Mehrzahl von Fenstermodulen (1; 1-i; 1-j) als die Verbrauchsanordnung, die zur thermischen Regulierung, umfassend ein Beheizen oder Kühlen, des Gebäudeinneren ausgebildet sind, wobei die Mehrzahl von Fenstermodulen (1; 1-i; 1-j) in zumindest zwei, in unterschiedlichen Himmelsrichtungen orientierten Fassadenflächen (111, 112) in einer oder mehreren Ebenen (101-103) des Gebäudes (100) angeordnet sind, wobei jedes Fenstermodul (1; 1-i; 1-j) folgende Merkmale umfasst:
- eine Außenverglasung (2) und eine Innenverglasung (3), wobei die Außenverglasung (2) einen kleineren Wärmedurchgangskoeffizient (U_a) als die Innenverglasung (3) aufweist, um über die Innenverglasung (3) das Gebäudeinnere thermisch zu regulieren, und wobei zwischen der Au-βenverglasung (2) und der Innenverglasung (3) ein gegenüber Feststoffen, insbesondere Staub, abgedichteter Zwischenraum (4) gebildet ist;

- einen Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher (5), der ein fluiddurchströmtes Kühl-/Heizelement mit einer Fluidleitung, in der ein Wärmetransportmedium geführt ist, umfasst, wobei der zumindest eine Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher (5) im Einbauzustand des Fenstermoduls (1; 1-i; 1-j) unten oder oben, horizontal liegend, in dem Zwischenraum (4) angeordnet ist, so dass er von Luft aus dem Zwischenraum (4) durchströmbar ist;

- einen Lüfter (10), der im Einbauzustand des Fenstermoduls (1; 1-i; 1-j) oben oder unten, horizontal liegend, in dem Zwischenraum (4) angeordnet ist und der in einem Kühlbetrieb und in einem Heizbetrieb als Betriebsmodi des Fenstermoduls betreibbar ist, wobei zumindest in dem Kühlbetrieb durch den Lüfter (10) Luft durch den Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher (5) geführt wird, um Wärme zwischen der Luft und dem Wärmetransportmedium auszutauschen und um die Luft in dem Zwischenraum (4) in einem Luftkreislauf zu führen;

- ein in dem Zwischenraum (4) angeordnetes Trennelement (19), das parallel zu der Außenverglasung (2) und der Innenverglasung (3) verläuft und den Zwischenraum (4) in einen inneren Zwischenraum (4I) und einen äußeren Zwischenraum (4A) unterteilt, um eine steigende und eine fallende Luftströmung in dem Zwischenraum (4) zu erzeugen; und

- eine steuerbar verstellbare Sonnenschutzvorrichtung (11) als Sonnenschutzfunktion, die in dem äußeren Zwischenraum (4A) angeordnet ist und an die Außenverglasung (2) grenzt, so dass bei aktivierter Sonnenschutzfunktion der äußere Zwischenraum (4A) vollständig oder im Wesentlichen zwischen der Sonnenschutzvorrichtung (11) und dem Trennelement (19) gebildet ist;

wobei in dem Leitungssystem (60) eine oder mehrere, durch eine Steuereinheit (25) steuerbare Umschalteinrichtungen (91-98) angeordnet sind,

wobei in Abhängigkeit einer ersten oder zweiten Schaltstellung die der betreffenden Umschalteinrichtung (91-98) in Strömungsrichtung folgende Zuleitung von der Vorrichtung (50) zur Temperaturniveauanpassung mit dem Wärmetransportmedium desjenigen Kreislaufs gespeist wird, dessen zweites Temperaturniveau abhängig von einem gewünschten Betriebsmodus ausgewählt/angesteuert wird.
Kühl- und Heizsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (50) zur Temperaturniveauanpassung dazu ausgebildet ist, in einer Zuleitung eines ersten Leitungspaars (71) das Wärmetransportmedium mit einer ersten, hohen Temperatur als das zweite Temperaturniveau, insbesondere zum Heizen, bereitzustellen.
Kühl- und Heizsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (50) zur Temperaturniveauanpassung dazu ausgebildet ist, in einer Zuleitung eines zweiten Leitungspaars (72) das Wärmetransportmedium mit einer zweiten, niedrigen Temperatur, als das zweite Temperaturniveau, insbesondere zum Kühlen, bereitzustellen, wobei die zweite, hohe Temperatur größer als die erste, niedrige Temperatur ist.
Kühl- und Heizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (50) zur Temperaturniveauanpassung aus einer folgenden Vorrichtungen gewählt ist:
- Luft-Wasser-Wärmepumpe mit Außenluft;

- Sole-Wasser-Wärmepumpe mit Erdsonden oder Erdkollektoren;

- Wasser-Wasser-Wärmepumpe mit Grundwasser oder kalter Nah-/Fernwärme;

- Nah- oder Fernwärmenetz, das Wärme und/oder Kälte bereitstellt.
Kühl- und Heizsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (50) zur Temperaturniveauanpassung aus einer folgenden Vorrichtungen gewählt ist:
- einem Nah- oder Fernwärmenetz, das Wärme bereitstellt;

- einem Energieerzeuger, der regenerative Energien, insbesondere Biomasse oder Wasserstoff (H₂), als Brennstoff verbraucht;

- einem Energieerzeuger, der fossile Brennstoffe, insbesondere Gas oder Öl, verbraucht.
Kühl- und Heizsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (50) zur Temperaturniveauanpassung zusätzlich eine Einrichtung zur Kälteerzeugung, insbesondere eine Kompressionskältemaschine, umfasst.
Kühl- und Heizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren, steuerbaren Umschalteinrichtungen (91-98) eine erste Anschlusseinheit, eine zweite Anschlusseinheit und eine dritte Anschlusseinheit umfassen, wobei an der ersten Anschlusseinheit die Zuleitung und eine Rückleitung des ersten Leitungspaars (71) angeschlossen sind, wobei an der zweiten Anschlusseinheit die Zuleitung und eine Rückleitung des zweiten Leitungspaars (72) angeschlossen sind, und wobei an der dritten Anschlusseinheit eine Zuleitung und einer Rückleitung zu einer Anzahl an Fenstermodulen (1-i; 1-j) angeschlossen ist.
Kühl- und Heizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine steuerbare Umschalteinrichtung (91) umfasst, wodurch sämtliche Fenstermodule (1-i; 1-j) in dem Gebäude (100) im gleichen Betriebsmodus betrieben werden.
Kühl- und Heizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese pro Ebene (101-103) zumindest eine Umschaltbaugruppe (96-98) umfasst, welche individuell steuerbar sind.
Kühl- und Heizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese pro Fassadenfläche (111-112) zumindest eine Umschaltbaugruppe (92-95) umfasst, welche individuell steuerbar sind.
Kühl- und Heizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese pro Fenstermodul (1-i; 1-j) eine Umschaltbaugruppe (92-95) umfasst, welche individuell steuerbar sind.
Kühl- und Heizsystem nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine Verteileranordnung (81-83) umfasst, die dazu ausgebildet ist, eine Energieverschiebung zwischen zwei Gruppen von Fenstermodulen (1-i; 1-j), die an unterschiedliche Umschaltbaugruppen (92, 94) angeschlossen sind, vorzunehmen.
Kühl- und Heizsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteileranordnung (81-83) Ventile (81, 82) und eine Pumpe (83) umfasst, die dazu ausgebildet ist, zur Energieverschiebung einen Rückleitungsstrang (86) einer ersten Gruppe von Fenstermodulen (1-j) durch ein erstes Ventil (81) mit einem Zuleitungsstrang (87) einer zweiten Gruppe von Fenstermodulen (1-i) und einen Zuleitungsstrang (85) der ersten Gruppe von Fenstermodulen (1-j) durch ein zweites Ventil (82) mit einem Rückleitungsstrang (88) der zweiten Gruppe von Fenstermodulen (1-i) zu verbinden.
Kühl- und Heizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Fluidleitungen des Luft-Flüssigkeit-Wärmetauschers (5) eines jeweiligen Fenstermoduls (1) eingangsseitig mit einem regelbaren Ventil (42) verbunden sind, wobei durch die Stellung des Ventils (42) ein Volumenstrom des Wärmetransportmediums durch den Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher (5) jedes Fenstermoduls (1; 1-i; 1-j) individuell einstellbar ist.
Kühl- und Heizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Fenstermodul (1; 1-i; 1-j) eine lokale Steuereinheit (20) umfasst, die dazu ausgebildet ist, zumindest einen Aktor des Fenstermoduls (1; 1-i; 1-j), umfassend einen Ventil-Stellmotor (43) und/oder einen Antrieb des Lüfters (10) und/oder einen Antrieb der Sonnenschutzvorrichtung (11), derart zu regeln und/oder steuern, dass ein empfangener Ist-Raumtemperaturwert (T_ist) einem vorgegebenen Soll-Raumtemperaturwert (T_soll) entspricht.
Kühl- und Heizsystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Fenstermodul (1; 1-i; 1-j) zumindest einen Sensor, umfassend jeweilige Temperatursensoren zur Erfassung der Temperaturen des Wärmetransportmediums am Eingang und/oder Ausgang der Fluidleitung des Luft-Flüssigkeit-Wärmetauschers (5) und/oder der Temperaturen der Luft am Eingang und/oder Ausgang des Luft-Flüssigkeit-Wärmetauschers (5), umfasst, wobei die Temperaturwerte zumindest der lokalen Steuereinheit (20) zur Verarbeitung für die Regelung und/oder Steuerung des zumindest einen Aktors bereitgestellt werden.
Kühl- und Heizsystem nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Steuereinheit (20) eine Schnittstelle umfasst, an der sie zumindest den Ist-Raumtemperaturwert (T_ist) und den vorgegebenen Soll-Raumtemperaturwert (T_soll) von einer zentralen Steuereinheit des Gebäudes (100) oder eines Gebäudeteils, empfängt.
Kühl- und Heizsystem nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Steuereinheit dazu ausgebildet ist, die Schaltstellung einer jeweiligen Umschalteinrichtung (91-98) basierend auf dem Ist-Raumtemperaturwert (T_ist) und dem vorgegebenen Soll-Raumtemperaturwert (T_soll) zu steuern.
Kühl- und Heizsystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Steuereinheit dazu ausgebildet ist, die Schaltstellung einer jeweiligen Umschaltvorrichtung (91-98) basierend auf zumindest einem weiteren Parameter, insbesondere eine Jahreszeit und/oder eine Außentemperatur, zu steuern.
Verfahren zur thermischen Regulierung eines Gebäudes mittels eines Kühl- und Heizsystems gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem
- in Abhängigkeit einer ersten oder zweiten Schaltstellung die der betreffenden Umschalteinrichtung (91-98) in Strömungsrichtung folgende Zuleitung von der Vorrichtung (50) zur Temperaturniveauanpassung mit dem Wärmetransportmedium desjenigen Kreislaufs gespeist wird, dessen erstes Temperaturniveau abhängig von einem gewünschten Betriebsmodus ausgewählt/angesteuert wird.