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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Nutzung der in der Erdatmosphäre enthaltenen Wärmeenergie, wobei ein Solarkollektor, welcher wechselweise als Solarabsorber oder Luftwärmetauscher arbeitet, mit einem Niedertemperatur-Latentwärmespeicher, in welchem ein Wärmetauscher untergebracht ist, versehen ist, dessen eine Begrenzungsseite er bildet.
Es ist üblich den Wasserspeicher und die Solarkollektoren getrennt aufzustellen, wobei die Solarkollektoren auf Dächern od. dgl. angeordnet sind. Der Wärmespeicher ist im Haus in einem eigenen Raum untergebracht. Durch Leitungen ist der Solarkollektor mit dem Wärmespeicher bzw. der Wärmepumpe oder dem Boiler verbunden. Wird der Wärmespeicher im Haus angeordnet, erfordert er sehr viel Platz und somit teuren umbauten Raum.
Es sind auch sogenannte Kollektorspeichersysteme bekannt, bei denen die Solarkollektoren direkt einen Speicherbehälter für Brauchwasser angebaut haben. Da hiebei keine Trennung zwischen Brauchwasser und Wärmetransportmedium besteht, ist die Verwendung dieser Bauart im wesentlichen auf die unmittelbare Brauchwassererwärmung oder auf die Vorwärmung von Badewasser beschränkt.
Ein Kernproblem bei der Ausnutzung von Sonnenenergie liegt darin, dass das mit Sonnenenergie erzielbare Temperaturniveau im Winter so gering ist, dass nur in Verbindung mit einer Wärmepumpe eine sinnvolle Konstruktion möglich ist.
Als Wärmequellen für die Versorgung einer Wärmepumpe kommen hauptsächlich Aussenluft, Grundwasser, Haushaltsabwasser, Oberflächenwasser und Erdreich in Frage. Bei Aussenluft tritt bei tiefen Temperaturen, besonders um 0 C, eine Vereisung des Verdampfers ein, wenn übliche Wärmetauscher verwendet werden. Grundwasser erfordert teure Brunnen und belastet die Umwelt. Haushaltsabwasser wieder erfordert einen grossen Speicherraum. Bei Verwendung von Oberflächenwasser, z. B. von Seen oder Flüssen ist es nachteilig, dass diese nur selten verfügbar sind und im Winter die Vereisungsgefahr sehr gross ist. Die Energieentnahme aus dem Erdreich über mitverlegte Rohrschlangen ist aufwendig und teuer und beeinflusst die Vegetation ungünstig.
Die AT-PS Nr. 321518 beschreibt Einrichtungen, die unter Ausnutzung der Latentspeicherwirkung Kollektoren, die sich ausserhalb des Hauses befinden, mit Kühl- bzw. Wärmeflächen innerhalb des Hauses in regelbaren thermischen Kontakt bringen. Das geschieht in erster Linie durch konvektiven Wärmetransport eines Dampfgemisches.
Die beiden US-PS Nr. l, 753, 227 und Nr.1,802,635 beziehen sich auf spezielle Solarkollektorausführungen, bei denen die in Dreieckform, einmal gleichschenkelig und einmal zirka rechtwinkelig, ausgeführten Plättchen Teile des Absorbers sind und keine Reflektorwirkung haben, sondern einzig dem Wärmetransport in die flüssigkeitsdurchströmten Rohre dienen.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die möglichst umfassend die Energie der Sonnenstrahlung und der Aussenluft ausnutzt, um einen Brauchwasserboiler sowie eine Niedertemperaturheizung zu versorgen und fallweise Wärmeenergie für Zeiten niedriger Aussentemperatur und fehlender Sonneneinstrahlung zu speichern.
Mit der Erfindung wird die obige Aufgabe gelöst. Die erfindungsgemässe Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Solarkollektor wie an sich bekannt von einem Wärmeträger durchströmt und über Leitungen und Ventile mit dem Wärmetauscher, mit einer Wärmepumpe und mit einem Boiler verbunden ist, wobei über die Ventile der Solarkollektor, der Wärmetauscher, die Wärmepumpe und der Boiler auch untereinander verbindbar sind und dass der Querschnitt des Niedertemperatur-Latentwärmespeichers dreieckförmig, mit einer Hypotenuse als Auflagefläche der aus Solarkollektor und Niedertemperatur-Latentwärmespeicher gebildeten Einheiten, mit einer der Katheten als Begrenzungsseite gegenüber dem Solarkollektor und mit der andern Kathete als Träger für einen Reflektor oder rechteckförmig, einen Quader bildend, als Teil einer Aussenmauer eines Gebäudes,
dessen Begrenzungsseite gegenüber dem Solarkollektor an der Aussenseite eines Gebäudes liegt, ausgebildet ist.
Diese Erfindung stellt erstmals eine Kombination von Solar-, Umgebungsluft- und Latentwärmenutzung mit Speichermöglichkeit in einer kompakten Einheit dar. Das bedeutet, dass eine umfassendere Verwertung des Wärmeangebotes möglich wird. Sonnenenergie wird vom Solarkollektor in Wärmeenergie umgewandelt und benutzt, um wahlweise oder anteilig den Speicher aufzuwärmen oder den Primärkreis der Wärmepumpe zu beliefern oder direkt den Boiler für Brauchwasser zu versorgen. Die
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Weiters kann im Wärmespeicher ein konisches Rohr senkrecht angeordnet werden, wobei die grössere Öffnung des Rohres über dem Flüssigkeitsspiegel liegt. Selbst beim Zufrieren der Speicherflüssigkeitsoberfläche zu einer geschlossenen Eisdecke kann im Speicher kein Überdruck, durch den die Speicherwandung Schaden nehmen könnte, entstehen, da das Wasser aus dem wärmsten Bereich des Speichers durch die dort angeordnete kleine Öffnung des konischen Rohres nach oben steigt und infolge der konischen Ausführung des Rohres in der Lage ist, eventuell gebildete Eispfropfen nach oben auszudrücken. Man kann also auch latente Wärme ausnutzen.
Es ist auch möglich, die Ventile elektronisch durch einen Prozessrechner zu steuern.
Durch diese Steuerung ist eine Systemoptimierung nach individuellen Gesichtspunkten durchführbar.
Eine nähere Erläuterung der Erfindung erfolgt an Hand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele. Fig. l zeigt einen Wärmespeicher mit dreieckförmigem Querschnitt, Fig. 2 einen quaderförmigen Wärmespeicher und Fig. 3 ein Systemschaltbild. Gemäss Fig. 1 besteht die Ein- heit--l-aus einem Niedertemperatur-Latentwärmespeicher --2--, einem Solarkollektor --3-und einem Wärmetauscher --4--.
Die Einheit-l-hat einen dreieckförmigen Querschnitt, wobei die Hypotenuse --5-- dieses Dreiecks parallel zur Auflagefläche --6-- verläuft. Eine Kathete wird aus dem Sonnenkollektor --3-- und die andere Kathete vom Reflektor --7-- gebildet. Unter dem Reflektor --7-- und dem Sonnenkollektor --3-- ist die thermische Isolierung --8-- des Nieder-
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gründen auch die Basis --5-- isolieren.
Der Wärmetauscher --4-- wird aus einem Rohr --10--, das horizontal nahe der Grundfläche verläuft und dessen Anschlüsse bzw. dessen Durchführungen --11-- durch die Speicherwandung --12-- über dem Flüssigkeitsspiegel --13-- der Wärmespeicherflüssigkeit vorgesehen sind, gebildet. An dem horizontalen Rohrabschnitt des Wärmetauschers --4-- sind vertikale Lamellen --14-- vorgesehen, die bei den Enden je mit einer Scheibe --15--, die konzentrisch um das Rohr --10-- angeordnet sind, begrenzt sind.
Zur Vermeidung von Schäden, die durch Gefrieren der Wärmespeicherflüssigkeit entstehen, ist im Niedertemperatur-Latentwärmespeicher --2-- ein senkrechtes konisches Rohr --16-- angeordnet, wobei die grössere Öffnung oberhalb des Flüssigkeitsspiegels --13-- liegt. Zur umfassenderen Ausnutzung der in der Erdatmosphäre enthaltenen Wärmeenergie werden mehrere Einheiten-l-zu einer Batterie zusammengeschaltet, wobei an jeden Sonnenkollektor --3-- ein Reflektor --7-- angrenzt. Die Neigung der Kollektoren --3-- ist ausschlaggebend für die jahreszeitmässige geplante Maximalausnutzung der einfallenden Sonnenstrahlen.
Trotz Auslegung der Einheiten-l-auf einen Betrieb in einer bestimmten Jahreszeit, gehen auch in der übrigen Jahreszeit die in einem ungünstigen Winkel einfallenden Sohnenstrahlen nicht verloren, da sie vom Reflektor in den nachfolgenden Kollektor reflektiert werden.
Sollte auf einem Gebäude mit nicht ausreichend tragfähiger Decke --6-- eine Batterie angeordnet werden, so können die Einheiten-l-auf einem Traggerüst --17-- befestigt werden, das sich nur auf die tragenden Mauern stützt.
Gemäss Fig. 2 ist eine weitere Ausführung der Wärmespeicherkombination dargestellt. Bei dieser
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Diese quaderförmige Einheit --18-- ist allseitig isoliert, wobei der Sonnenkollektor --3-die Maueraussenseite ersetzt. Der in dieser Einheit --18-- ebenfalls angeordnete Wärmetauscher - -4--, der im Prinzip den gleichen Aufbau hat wie der oben beschriebene, weist seine Anschlüsse - oberhalb des Flüssigkeitsspiegels --13-- auf. Seine Anschlüsse werden auf der Innenseite des Gebäudes herausgeführt. Zur Abdeckung des Sonnenkollektors --3-- kann eine dünne Glasscheibe --20-- verwendet werden, da durch die senkrechte Anordnung keine Gefährdung durch Hagelschlag usw. gegeben ist.
Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass an die in den Innenraum des Gebäudes geführten Wärmetauscheranschlüsse --11-- eine Wärmepumpe bzw. Wärmegeräte für den betreffenden Raum angeschlossen werden können.
Gemäss des in Fig. 3 dargestellten Prinzipschaltbildes der Einrichtung zur Nutzung der in
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der Erdatmosphäre enthaltenen Sonnenenergie wird die Wirkungsweise näher erläutert. Das Prinzipschaltbild zeigt eine Zusammenschaltung der Solarkollektoren --3-- und der Wärmetauscher --4--, die in den Wärmespeichereinheiten --45 bis 47-- enthalten sind und über Leitungen --29 bis 37-- und Ventile --21 bis 26-- mit dem Primärwärmetauscher --38-- einer Wärmepumpe --39-- bzw. dem Primärwärmetauscher --41--, der auch über einen Wärmetauscher --40-- der Wärmepumpe --39-- gespeist werden kann, eines Boilers --42--, der das Brauchwasser --44-- liefert und ein Niedertemperaturheizsystem --43-- versorgt, verbunden sind.
Die Pumpe --27-- ermöglicht den Transport der Wärmeträgerflüssigkeit im Kreislauf zwischen den Kollektoren --3-- und den Wärmetauschern --4--. Die Pumpe --28-- ermöglicht den Transport der Wärmeträgerflüssigkeit zwischen den Kollektoren --3-- oder den Wärmetauschern --4-- mit der Wärmepumpe --39-- oder dem Boiler --42--.
Durch die günstige Anordnung der Ventile --21 bis 26-werden folgende Betriebszustände erlaubt :
Bei geschlossenen Ventilen --25 und 26--werden bei der Wärmeabgabe der Kollektoren --3-an die Wärmetauscher --4-- in den Einheiten --45 bis 47-- die Niedertemperaturwärmespeicher aufgeheizt. Mit Hilfe der Ventile --21 und 22-- kann man die Aufladung steuern, wobei bei geschlossenen Ventilen --21 und 22-nur der Speicher --47-- aufgeheizt wird. Öffnet man das Ventil --22--, so werden die Speicher --46 und 47-- aufgeladen. Sind beide Ventile --21 und 22-- offen, so wird die Wärme der Solarkollektoren --3-- an alle drei Wärmespeicher --45 bis 47-- abgegeben.
Durch diesen Vorgang erfolgt die Ladung stufenweise und es wird zumindest im Speicher --47-- eine so hohe Temperatur erreicht, dass ohne Umweg über die Wärmepumpe - die Wärme an den Primärwärmetauscher --41-- des --41-- des Boilers --42-- abgegeben wird und somit eine Erwärmung des Brauchwassers eintritt.
Bei schwacher Sonneneinstrahlung oder Luftwärmetauscherbetrieb der Kollektoren --3-- kann bei geöffnetem Ventil --23-- und geöffnetem Ventil --25-- sowie geschlossenem Ventil --26-die Wärme von den Sonnenkollektoren über die Leitungen --30, 29 und 36-- dem Primärwärmetauscher --38-- als Verdampfer der Wärmepumpe --39-- zugeführt werden. Die abgekühlte Wärme-
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so eine Brauchwassererwärmung herbeigeführt werden, wobei das Ventil --25-- geschlossen ist und das Mischventil --24-- nur für die Leitung --29-- Durchgang gewährt.
Sollte jedoch die Wärme im Boiler --42-- bereits ausreichen, so wird mit dem Mischventil --24-- und den Ventilen - 21 und 22-- eine gleichzeitige Aufladung der Wärmespeicher --45 bis 47-- ermöglicht, wobei sich der Wärmeträgerflüssigkeitskreislauf beim Mischventil --24-- aufteilt auf die Leitung --31-für die Wärmespeicheraufladung und auf die Leitung --29-- zur Boilererwärmung.
Sollte keine Wärmezufuhr aus der Erdatmosphäre möglich sein, so kann man aus dem Wärme- speicher --45 bis 47-- über die Wärmetauscher --4-- Wärme entziehen, die dann je nach Temperatur entweder dem Boiler --42-- oder dem Primärkreis der Wärmepumpe --39-- zugeführt wird. In diesem Betrieb kann man den Wärmespeicherinhalt bis zum Durchfrieren abkühlen. Durch diese Anordnung ist ein monovalenter Wärmepumpenbetrieb möglich.
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