EINRICHTUNG ZUR TEMPERIERUNG EINES RAUMS

Einrichtung zur Temperierung eines Raums

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung sowie ein Verfahren zur Temperierung eines Raumes nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 27.

Zur Klimatisierung von Räumen mit Betondecken oder Betonwänden sind aus dem Stand der Technik sogenannte Betonkernaktivierungs-Systeme bekannt. Bei diesen werden Heiz- oder Kühlmedien führende Rohrleitungen in, unter oder auf der Betondecke bzw. der Betonwand angebracht. Durch Speicherung der Heizbzw. Kühlenergie in der Betonmasse der Decke bzw. der Wände und einer zeitverzögerten Abgabe der gespeicherten Heiz- bzw. Kühlenergie kann eine energieeffiziente Klimatisierung der Räume erzielt werden. So kann beispielsweise in der Nacht ein Kühlfluid (beispielsweise Wasser) abgekühlt und durch die

Rohrleitungen in einer betonkernaktivierten Decke oder Wand geleitet werden, wodurch sich die Decke bzw. die Wand langsam abkühlt. Die so in der

Betondecke bzw. -wand gespeicherte Kühlenergie kann dann während des Tages, insbesondere in warmen Sommermonaten, zur Erniedrigung der Raumtemperatur langsam in den Raum abgegeben werden.

Der Einbau solcher thermisch aktivierbaren Decken oder Wände ist allerdings auf Neubauten beschränkt. Bei der Sanierung von Altbauten kann eine solche

Betonkernaktivierung der Decken oder Wände nicht nachträglich eingebaut werden. Bei Decken oder Wänden mit einer Betonkemaktivierung ist darüber hinaus nachteilig, dass die in der Betondecke- bzw. -wand verlegten

Rohrleitungen unbeabsichtigt beschädigt werden können, beispielsweise durch das Bohren von Löchern. Eine Reparatur von beschädigten Rohrleitungen ist kaum möglich, da die einbetonierten Rohrleitungen für eine Reparatur schwer zugänglich sind. Auch die Statik und die Stabilität der mit Rohrleitungen

versehenen Decken oder Wände leidet unter den einbetonierten Rohrleitungen. Darüber hinaus ist die Herstellung solcher Betonkernaktivierungssysteme sehr zeitaufwändig und kostspielig. Ein weiterer Nachteil liegt in der Trägheit des thermischen Systems, welches auf der zeitverzögerten Abgabe der in der Beton- Speichernnasse gespeicherten thermischen Energie an den zu temperierenden Raum beruht.

Zur Beseitigung dieser Nachteile sind aus dem Stand der Technik

Temperiersysteme bekannt, die auch nachträglich an rohrleitungsfreien Decken oder Wände angeordnet werden können. Diese Temperiersysteme umfassen in der Regel Decken- oder Wandelemente, in denen Rohrleitungen angeordnet sind, welche mit einem Heiz- oder Kühlmedium beaufschlagt werden können. Diese Decken- oder Wandelemente werden an der Decke bzw. Wand befestigt. Die in dem Heiz- oder Kühlmedium, welches durch die Rohrleitungen geleitet wird, gespeicherte thermische Energie wird über einen Rahmen oder eine Verkleidung der Decken- bzw. Wandelemente in den zu temperierenden Raum durch

Wärmestrahlung und freie Konvektion abgeleitet. Ein solches System ist bspw. in der EP 1371915 A1 beschrieben, bei dem Phasenwechselmaterialien als

Wärmespeicher zur Anwendung kommen.

Diese Temperiersysteme haben den Nachteil, dass die thermische Energie von dem in den Rohrleitungen fließenden Heiz- oder Kühlmedium unmittelbar und instantan durch Wärmestrahlung und Konvektion in den Raum abgegeben wird. Die Oberflächen der Decken bzw. der Wände werden bei diesen

Temperiersystemen darüber hinaus mit den Decken- oder Wandelementen belegt. Dies führt dazu, dass die Decken- oder Wandfläche von dem zu temperierenden Raum thermisch getrennt werden, weshalb die Masse der Decken bzw. der Wände für eine Speicherkühlung (oder -erwärmung) in der Nacht nicht genutzt werden können.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung und ein Verfahren zur Temperierung eines Raumes aufzuzeigen, bei denen die Masse der Decken oder Wände als thermischer Speicher genutzt werden kann, ohne dass Rohrleitungen zur Durchleitung eines Heiz- oder Kühlmediums zur thermischen Aktivierung des Speichers in die Decken oder Wände eingebracht werden müssen. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein möglichst energieeffizientes Temperiersystem mit kurzen Ansprechzeiten aufzuzeigen. Darüber hinaus soll es ermöglicht werden, dieses Temperiersystem auch bei der Sanierung von Altbauten nachträglich einzubauen.

Gelöst werden diese Aufgaben mit einer Einrichtung zur Temperierung eines Raumes mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 27. Bevorzugte Ausführungsformen der

erfindungsgemäßen Einrichtung sind den Unteransprüchen 2 bis 26 zu

entnehmen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter

Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen:

Figur 1 : Schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen

Einrichtung zur Temperierung eines Raumes in einer ersten

Ausführungsform;

Figur 2: Schematische Schnittdarstellung eines Decken- oder Wandelements für eine erfindungsgemäße Temperiereinrichtung in einer zweiten Ausführungsform;

Figur 3: Schematische Schnittdarstellung der zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Temperiereinrichtung mit dem Decken- oder Wandelement von Figur 2.

In Figur 1 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen

Temperierungseinrichtung gezeigt. Diese umfasst ein an einem Bauelement 5 aus Beton oder Ziegel angeordnetes Element 10. Bei dem Bauelement 5 kann es sich um eine Decke oder eine Wand oder um einen Fußboden des zu temperierenden Raumes R handeln. Das Bauelement 5 kann auch aus einem anderen

herkömmlichen Baumaterial aufgebaut sein, das in der Lage ist Wärme und/oder Kälte zu speichern, wie Lehm oder Naturstein. Bei dem Element 10 handelt es sich dann entsprechend um ein Decken-, Wand- oder ein Bodenelement, welches an der in den Raum weisenden Oberfläche 1 1 des Bauelements 5 angeordnet ist. Aufgrund seiner großen Masse stellt das Bauelement 5 einen thermischen Speicher dar, in dem thermische Energie (in Form von Wärme oder Kälte) gespeichert werden kann.

Bei dem Element 10 handelt es sich um eine Platte 1 , welche expandiertes Graphit enthält oder vollständig aus Graphitexpandat besteht.

Die Herstellung von expandiertem Graphit (Graphitexpandat) ist ua aus der US 3,404,061 -A bekannt. Zur Herstellung von expandiertem Graphit werden

Graphiteinlagerungsverbindungen bzw. Graphitsalze wie zB

Graphithydrogensulfat oder Graphitnitrat schockartig erhitzt. Dabei vergrößert sich das Volumen der Graphitpartikel um einen Faktor von ca. 200 - 400 und

gleichzeitig sinkt die Schüttdichte auf werte von 2 - 20 g/l. Das so erhaltene Graphitexpandat besteht aus wurm- bzw. ziehharmonikaförmigen Aggregaten. Wird vollständig expandiertes Graphit unter gerichteter Einwirkung eines Druckes kompaktiert, ordnen sich die Schichtebenen des Graphits bevorzugt senkrecht zur Einwirkungsrichtung des Druckes an, wobei sich die einzelnen Aggregate untereinander verhaken. Auf diese Weise lassen sich selbsttragende

Flächengebilde wie zB Bahnen, Platten oder Formkörper aus expandiertem Graphit herstellen.

Zur Versteifung und Erhöhung der Stabilität solcher Graphit-Platten oder - Formkörper kann das expandierte Graphit mit aushärtenden Bindemitteln, wie zB Harze oder Kunststoffe, insbesondere Elastomere oder Duromere, vermischt werden. Zur Verbesserung der Stabilität von Platten aus expandiertem Graphit eignet sich insbesondere die Vermischung des expandierten Graphits mit thermoplastischen und/oder duroplastischen Kunststoffen, welche beispielsweise durch Imprägnierung oder über ein Pulververfahren in das expandierte Graphit eingebracht werden können. Nach erfolgter Aushärtung des mit dem expandierten Graphit vermischten Bindemittels weisen die aus diesen Mischungen hergestellte Graph it-Formkörper oder -Platten eine für den erfindungsgemäß vorgesehenen Anwendungszweck ausreichende Stabilität auf. Die auf diese Weise hergestellten Graphit-Platten sind insbesondere selbsttragend und können ohne weiteres beispielsweise durch Verkleben oder Verschrauben an Bauelemente wie Decken oder Wände befestigt werden.

Reines Graphitexpandat verfügt ebenso wie Gemische aus expandiertem Graphit mit Bindemitteln über eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit. Die Wärmeleitfähigkeit eines Gemisches aus expandiertem Graphit mit einem Bindemittel ist bei einem 50 Gew.%-igen Bindemittelanteil je nach Art des verwendeten Bindemittels immer noch sehr hoch. Soweit im folgenden von Graphit-Platten gesprochen wird, werden darunter Platten verstanden, die entweder aus reinem Graphitexpandat bestehen oder aus einer Mischung von expandiertem Graphit mit einem

Bindemittel.

Es ist auch möglich Graphit-Platten aus Mischungen von expandiertem Graphit mit Phasenwechselmaterialien (PCM, phase change materials) herzustellen. Hierfür können gängige Phasenwechselmaterialien bspw. auf Paraffin-, Wachs - oder Salzbasis, bei der Herstellung der Graphitplatten beigemischt werden. Eine solche Graphitplatte mit einem Phasenwechselmaterial kann in den erfindungsgemäßen Temperiersystemen als weiterer Thermospeicher (Latentwärmespeicher) neben dem als thermischer Speicher wirkenden Bauelement 5 eingesetzt werden.

In der in Figur 1 dargestellten Graphit-Platte 1 sind Rohrleitungen 9 eingebettet. Die Rohrleitungen 9 sind bevorzugt schlangenförmig im Innern der Platte 1 angeordnet. Andere Verlegungsformen der Rohrleitungen, wie zB eine

spiralförmige, gitterförmige oder mäanderförmige Anordnung, oder eine

Anordnung nur in den Randbereichen der Platte 1 ist denkbar. Die Enden der in der Platte 1 verlaufenden Rohrleitungen 9 werden an eine Fördereinrichtung zur Durchleitung eines Heiz- oder Kühlmediums (wie zB heißes oder kaltes Wasser) durch die Rohrleitungen 9 angeschlossen. Um die gesamte, in den Raum R weisende Oberfläche 1 1 des Bauteils 5 mit Elementen 10 zu versehen, können auch mehrere solcher Elemente 10 hinter- bzw. nebeneinander liegend

angeordnet und an der Oberfläche 1 1 befestigt werden. Die Enden der

Rohrleitungen 9 jedes Elements 10 werden dann mit den zugeordneten Enden der benachbarten Elemente 10 zur Bildung eines Leitungskreislaufs verbunden und der Leitungskreislauf wird an die Fördereinrichtung zur Durchleitung des Heizoder Kühlmediums gekoppelt.

Die Befestigung der Elemente 10 erfolgt bevorzugt durch einen thermisch leitenden Kleber 4, mit dem die eine Hauptfläche 12 der Platte an der Oberfläche

1 1 des Bauelements 5 verklebt wird. Durch die Verklebung steht die Hauptfläche

12 der Platte 1 flächig und bevorzugt über die gesamte Hauptfläche 12 in thermischem Kontakt mit der Oberfläche 1 1 des durch das Bauelement 5 gebildeten thermischen Speichers.

Die andere Hauptfläche 13 der Platte 1 kann, wie bei dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel, mit einer Versteifungsschicht 6 versehen werden. Bei der Versteifungsschicht 6 kann es sich beispielsweise um eine Putzschicht oder eine aufgeklebte Hartkarton- oder Gipskarton-Schicht handeln. Auch Kombinationen von Putzschichten und darin eingebetteten Textil-Stoffen, wie zB Netzen, Geweben, Gestricken, Gewirken oder dergleichen ist möglich. Durch die

Versteifungsschicht 6 kann einerseits die Stabilität der Graphit-Platte 1 erhöht werden und andererseits kann die in den Raum R weisende Hauptfläche 13 der Platte 1 optisch ansprechend verkleidet werden. Das Aufbringen einer

Versteifungsschicht 6 bietet sich insbesondere bei Platten 1 an, die aus reinem Graphitexpandat (ohne Zusatz von Bindemittel) gefertigt sind.

Die in der Platte 1 verlaufenden Rohrleitungen 9 können bereits bei der

Herstellung der Graphitplatte 1 eingebracht werden. Bei den Rohrleitungen 9 handelt es sich bevorzugt um Rohre aus Metall, beispielsweise Kupfer, oder um Kunststoffrohre, beispielsweise aus Polypropylen oder vernetztem Polyethylen. Wegen des besseren Wärmeübergangs sind jedoch Rohre aus Metall zu bevorzugen. Die Rohrleitungen 9 können - wie in dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 gezeigt - vollständig in die Platte 1 eingebettet werden. Es ist jedoch auch möglich, die Rohrleitungen 9 so anzuordnen, dass sie bündig mit einer

Hauptfläche 12 oder 13 der Platte 1 abschließen. Zum Einbetten der Rohrleitungen 9 in die Platte 1 können die Rohrleitungen 9 bei der Plattenherstellung in die Aufschüttung der wurm- bzw. ziehharmonikaformigen Graphit-Aggregaten eingelegt und diese Zusammensetzung anschließend in bekannter weise durch Druckeinwirkung (beispielsweise mittels Walzen oder Druckplatten) zu einer formstabilen Graphit-Platte 1 verpresst werden. Um die Stabilität der Platten zu erhöhen, kann beim Herstellungsprozess eines der bereits genannten Bindemittel zugegeben werden. Die so hergestellten Graphit-Platten 1 mit darin eingebetteten Rohrleitungen 9 weisen typischerweise Dicken zwischen 8 und 50 mm auf. Die Dichte der Graphitplatten 1 liegt regelmäßig im Bereich von 0,01 bis 0,5 g/cm ³ (je nach Anteil des zugegebenen Bindemittels). Die

Graphitplatten 1 weisen eine Wärmeleitfähigkeit von 3 bis 6 W/m K auf.

Aufgrund der guten thermischen Leitfähigkeit der Graphit-Platte 1 kann die in einem durch die Rohrleitungen 9 geleiteten Heiz- oder Kühlmedium gespeicherte thermische Energie zu einem gewissen Teil zunächst durch Wärmeleitung von den Rohrleitungen 9 zur freien Hauptfläche 13 der Platte 1 geleitet und von dort durch Wärmestrahlung und freie Konvektion an den zu temperierenden Raum R abgegeben werden. Diese Wärmeabgabe (bzw. Kälteabgabe bei Durchleitung eines Kühlmediums durch die Rohrleitungen) erfolgt sehr rasch, wodurch der Raum sehr schnell aufgeheizt (bzw. abgekühlt) werden kann. Ein anderer Teil der in dem Heiz- oder Kühlmedium gespeicherten thermischen Energie wird durch Wärmeleitung von den Rohrleitungen 9 über die wärmeleitende Platte 1 an den von dem Bauelement 5 gebildeten thermischen Speicher übertragen. Dadurch wird der thermische Speicher aufgeheizt (bzw. bei Durchleitung eines

Kühlmediums durch Rohrleitungen abgekühlt). Der thermische Speicher kann die so zwischengespeicherte thermische Energie dann zeitverzögert an den Raum abgeben, wobei die gute thermische Leitfähigkeit der Platte 1 dafür sorgt, dass dies weitgehend verlustfrei erfolgt. Die auf diese Weise erfolgende Aufheizung (bzw. Abkühlung) des Raumes R erfolgt auf einer längeren Zeitskala (von einigen Stunden). Das erfindungsgemäße Temperierungssystem ist daher in der Lage, den zu temperierenden Raum R sowohl rasch als auch unter Ausnutzung des thermischen Speichers auf langsame Weise auf eine gewünschte

Raumtemperatur zu bringen. So kann beispielsweise im Sommer in der Nacht der thermische Speicher durch Durchleiten eines Kühlmediums (beispielsweise kaltes Wasser) durch die Rohrleitungen 9 abgekühlt werden. Während des Tages kann der thermische Speicher dann zur Kühlung des Raumes über eine zeitverzögerte Abgabe der Kälte an den Raum genutzt werden.

In entsprechender Weise kann das erfindungsgemäße Temperiersystem im Winter während des Tages zunächst zur instantanen Heizung des Raumes durch

Durchleiten eines Heizmediums durch die Rohrleitungen aufgeheizt werden.

Gleichzeitig wird der thermische Speicher mit Wärme beladen. In der Nacht kann der Durchfluss des Heizmediums abgestellt werden, da die zeitverzögerte Abgabe der Wärme aus dem beladenen thermischen Speicher ausreicht, um den Raum in der Nacht auf eine (niedrigere) Raumtemperatur zu halten.

In den Figuren 2 und 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines

erfindungsgemäßen Temperiersystems dargestellt. Gleiche oder entsprechende Teile sind in den Figuren 2 und 3 mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in Figur 1 .

Bei dem in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Temperierung eines Raumes R ist ein Deckenelement 10 an einem als Betondecke ausgebildeten Bauelement 5 befestigt. Das Bauelement 5 bildet einen thermischen Speicher mit der Betonmasse der Decke als

Speichermasse. Das Deckenelement 10 weist einen Rahmen 2 auf, der an der in den Raum R weisenden Oberfläche 1 1 des Bauelements 5 befestigt,

insbesondere angeschraubt ist. Der Rahmen 2 ist als Kassette ausgebildet, welche an einer Seite (nämlich ihrer Oberseite) offen ist. Der Rahmen 2 ist bevorzugt aus einem thermisch leitfähigen Material, wie zB einem Metallblech gefertigt. Der Rahmen 2 verfügt über eine Bodenplatte 2a und vier daran angeordnete oder mit der Bodenplatte 2a einstückig ausgebildete Seitenwände 2b. Zumindest die Bodenplatte 2a (und gegebenenfalls auch die Seitenwände 2b) ist aus einem Lochblech (also einem Metallblech mit einer Perforation) gebildet. In dem Rahmen 2 ist eine Graphit-Platte 1 eingelegt. Die Zusammensetzung der Graphit-Platte 1 entspricht der Platte 1 des Ausführungsbeispiels von Figur 1 . Wie bei diesem Ausführungsbeispiel sind auch hier Rohrleitungen 9 in die Graphit- Platte 1 eingebettet und verlaufen dort schlangen-, gitter-, spiral- oder

mäanderförmig. Die Graphit-Platte 1 ist bevorzugt über einen thermisch leitfähigen Kleber 4 an der Oberfläche 1 1 des Bauelements 5 flächig verklebt. Die

Hauptfläche 12 der Graphit-Platte 1 steht damit zweckmäßig über ihre gesamte Oberfläche in thermischem Kontakt mit der Oberfläche 1 1 des Bauelements 5. Auf die Kleberschicht 4 kann jedoch auch verzichtet werden (su).

Zwischen der Bodenplatte 2a des Rahmens 2 und der Graphit-Platte 1 ist bevorzugt ein Vlies 3 sowie eine Graphitfolie 15 angeordnet. Bei dem Vlies 3 kann es sich beispielsweise um ein Glasfaser- oder ein Kohlefaservlies handeln. In Verbindung mit der Loch Perforation der Bodenplatte 2 stellt das Vlies 3 eine gute Schallabsorption des Deckenelements 10 sicher. Bei der Graphitfolie 15 handelt es sich um eine dünne Folie aus expandiertem Graphit. Die Dicke der Graphitfolie 15 liegt bevorzugt zwischen 0,05 mm und 3 mm, insbesondere zwischen 0,2 und 3 mm.

Bevorzugt handelt es sich bei dem Vlies 3 und der darauf angeordneten

Graphitfolie 15 um einen nicht lösbaren Verbund, der beispielsweise durch

Kalandrieren hergestellt werden kann. Ein solcher Verbund kann besonders zweckmäßig aus einem Kohlefaservlies und einer Graphitfolie 15 aus

expandiertem Graphit hergestellt werden. Beim Kalandrieren einer dünnen Folie aus expandiertem Graphit mit einem Kohlefaservlies verhaken sich die

Kohlepartikel der Vlies-Oberfläche und der Oberfläche der Graphitfolie

miteinander, so dass ein fester und nicht lösbarer Verbund zwischen dem

Kohlefaservlies 3 und der Graphitfolie 15 entsteht. Besonders zweckmäßig ist dabei die Verwendung einer perforierten Graphitfolie 15. Eine Perforation der Graphitfolie 15 erhöht nämlich deren Flexibilität und erleichtert dadurch die

Handhabbarkeit der Folie. Da es sich bei Graphit um ein sprödes Material handelt, besteht bei der Handhabung von dünnen Folien aus expandiertem Graphit die Gefahr, dass die Folie reißt oder bricht. Diese Gefahr kann durch eine Perforation der Graphitfolie 15 deutlich verringert werden. In Figur 2 ist eine Schnittdarstellung eines Deckenelements 10 gezeigt, wie es in dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Temperiereinrichtung zum Einsatz kommen kann. Wie sich aus Figur 2 ergibt, steht die obere Hauptfläche 12 der Graphit-Platte 1 über der Oberkante 2c der Seitenwände 2b des Rahmens 2 hervor. Bei der Verwendung eines solchen Deckenelements 10 kann auf das Verkleben der Graphit-Platte 1 an der

Oberfläche 1 1 des Bauelements 5 verzichtet werden. Zur Befestigung des Deckenelements 10 an dem Bauelement 5 wird nämlich der Rahmen 2 an dem Bauelement 5 angeschraubt. Beim Anschrauben des Rahmens 2 an der

Oberfläche 1 1 des Bauelements 5 wird die Graphit-Platte 1 zusammengedrückt, bis die Hauptfläche 12 der Platte 1 bündig mit der Oberkante 2c der Seitenwände 2b des Rahmens abschließt. Das Zusammendrücken der Graphit-Platte 1 wird dabei durch die Verformbarkeit des expandierten Graphits ermöglicht. Das in Lotrichtung zur Oberfläche 1 1 zusammengedrückte Graphitmaterial der Platte 1 steht nach der Befestigung des Deckenelements 10 an dem Bauelement 5 zweckmäßig über die gesamte Hauptfläche 12 in thermischem Kontakt mit der Oberfläche 1 1 . Durch die gute Verformbarkeit des Graphitmaterials der Platte 1 können dabei auch Unebenheiten und Vorsprünge in der Oberfläche 1 1 des Bauelements 5 ausgeglichen werden.

Die Anordnung des Deckenelements 10 oder mehrerer nebeneinander angeordneten Deckenelementen an der Oberfläche 1 1 des Bauelements 5 entspricht dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel der Figur 1 . Auch die Funktionsweise der Temperiereinrichtung der Figur 3 ist dieselbe wie im

Ausführungsbeispiel der Figur 1 .