CH637200A5 - Waermekollektoranlage. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmekollektoranlage mit einem aus der Umgebungsluft Wärme aufnehmenden Wärmekollektor, der mit einer wärmeleitenden Aussenwand versehen ist, und mit einer mit dem Wärmekollektor verbindbaren Wärmepumpe, wobei das Innere des Wärmekollektors über einen Kreislauf für eine Wärmeübertragungsflüssigkeit mit dem Verdampfer der Wärmepumpe oder mit einem Wärmetauscher in Reihe verbindbar ist.

Der Einsatz von Sonnenkollektoren in Verbindung mit Wärmepumpen ist zur Umsetzung der Strahlungsenergie der Sonne in Nutzwärme bekannt (Zeitschrift «Elektrizitätsverwertung» Nr. 3/1975). Der Wärmekollektor besteht z. B. aus Rohren, die auf einer Dachfläche verlegt werden und in denen die Wärmeübertragungsflüssigkeit zirkuliert. Diese besteht aus Wasser oder

Sole. Sie wird, nachdem sie im Sonnenkollektor erwärmt worden ist, dem Verdampfer der Wärmepumpe zugeführt, die ihr Wärme entzieht.

Wenn die Temperatur der Wärmeübertragungsflüssigkeit im Wärmekollektor höher ist als die Umgebungstemperatur, gibt der Wärmekollektor Wärme an die Umgebung ab. Der Kollektor ist in diesem Fall nicht imstande, die grösstmögliche Wärmemenge aufzunehmen und über das Wärmeübertragungsmedium zur Wärmepumpe bzw. zum Verbraucher zu leiten.

Beim Betrieb einer Wärmepumpe verbraucht die Wärmepumpe ihrerseits Primärenergie. Um den Primärenergieverbrauch der Wärmepumpe möglichst gering zu halten, ist es bekannt, den Wärmekollektor direkt an einen Wärmespeicherbehälter anzuschliessen, wenn die Temperatur des Wärmeübertragungsmediums im Wärmekollektor einen bestimmten Wert überschreitet. In diesem Fall ist die Wärmepumpe abgeschaltet (US-PS 2713252). Liefert der Wärmekollektor das Wärmeübertragungsmedium aber mit geringerer Temperatur, dann wird die Wärmepumpe zugeschaltet, so dass dem Wärmeverbraucher ein in einem separaten Kreislauf zirkulierendes zweites Wärmeübertragungsmedium mit einer Temperatur zugeführt wird, die von der Wärmepumpe angehoben ist, und oberhalb der Ausgangstemperatur des Sonnenkollektors liegt. Bei diesem bekannten System ist der Sonnenkollektor invariant. Dies bedeutet, dass das Wärmeübertragungsmedium,unabhängig von der zur Verfügung stehenden Strahlungs- bzw. Konvektionswärme, immer durch denselben Kollektorkanal hindurchgeleitet wird. Lediglich eine Abschaltung des durch den Kollektor hindurchfliessenden Wämeübertragungsmediums ist möglich. Dieses System erlaubt daher keine optimale Anpassung des Kollektorbetriebes an die jeweiligen Witterungsverhältnisse bei Vermeidung von Konvek-tionsverlusten unter Berücksichtigung des am Verbraucher vorhandenen Wärmebedarfs.

Ferner ist es bekannt, eine Wärmekollektoranlage in ein Gebäude zu integrieren (US-PS2462557), wobei die Gebäudewände die Funktion des Wärmekollektors übernehmen. Die Wände sind als Dreifachwände ausgeführt, und zwischen der Aussenwand und der Mittelwand wird eine erste Luftkammer und zwischen der Mittelwand und der Innenwand wird eine zweite Luftkammer gebildet. In diesen Luftkammern befinden sich Rohrsysteme, von denen eines den Kondensor und ein zweites den Verdampfer einer Wärmepumpe bildet. Die Luft erwärmt sich an den Kondensorrohren und steigt dann auf, um die Innenwände des Gebäudes aufzuheizen. An der Spitze des Daches streicht die Luft an den Verdampferrohren entlang, wo sie abgekühlt wird. Beim nachfolgenden Absinken nimmt die Luft durch die Wände hindurch von der Aussenluft Wärme auf. Die Wärmepumpe bildet hierbei ein ausgedehntes System, dessen Leitungen von einem Kältemittel durchflössen werden, das seine Zustandsphase im Kreislauf zweimal ändert. Die verteilte Anbringung von Kältemittelleitungen in einem Gebäude ist äusserst problematisch, weil ausfliessendes Kältemittel ein grosses Gesundheitsrisiko für Personen darstellt. Auch die Investitionsaufwendungen für das Wärmekollektorsystem sind ausserordentlich hoch, weil besondere Wandkonstruktionen benötigt werden und umfangreiche Rohrlegungen erforderlich sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmekollektoranlage der eingangs genannten Art zu schaffen, die äusserst geringe Konvektionsverluste hat und daher bei einem ausreichenden Anfall von Strahlungsenergie einen Betrieb ohne Wärmepumpe ermöglicht.

Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe besteht in den im Anspruch 1 und im unabhängigen Nebenanspruch 2 gekennzeichneten Wärmekollektoranlagen.

Falls direkte Sonneneinstrahlung zur Versorgung des Wärmeverbrauchers ausreicht, braucht lediglich die untere (strahlungs-absorbierende) Kammer von der Wärmeübertragungsflüssigkeit durchströmt zu werden .Die obere Kammer kann in diesem

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Betriebszustand mit einer isolierenden Luftschicht gefüllt sein, die die Wärmeverluste durch Konvektion und auch durch Wärmerückstrahlung möglichst klein hält. Reicht dagegen die direkte Sonneneinstrahlung zur Versorgung des Wärmeverbrauchers nicht aus, so kann auch die obere Kammer von der Wärmeübertragungsflüssigkeit durchströmt werden. Bei dieser Schaltungsart durchdringt die Wärmestrahlung die obere Kammer und wird in der Wärmeübertragungsflüssigkeit der unteren Kammer oder an den Wänden der unteren Kammer absorbiert. Die obere Kammer weist zweckmässig eine gut wärmeleitende Oberfläche auf, die auch gewellt oder durch eine entsprechende andere Strukturierung vergrössert sein kann.

Bei geringem Wärmebedarf am Verbraucher wird deshalb nur die untere Kammer des Wärmekollektors in den Kreislauf der Wärmeübertragungsflüssigkeit geschaltet. Diese wird unter Vermeidung von Konvektionsverlusten dem Verbraucher direkt zugeführt. Bei hohem Wärmebedarf werden dagegen beide Kammern des Wärmekollektors eingeschaltet, so dass die insgesamt aufgenommene Wärmemenge möglichst gross ist. Infolge der eingeschalteten Wärmepumpe wird dann dem Verbraucher eine Wärmeübertragungsflüssigkeit mit relativ hoher Temperatur zugeführt.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung können die beiden Kammern durch eine Verbindungsleitung in Reihe an die Wärmepumpe anschliessbarsein. Die Wärmeübertragungsflüssigkeit fliesst dann zunächst durch die obere Kammer, wo sie durch Konvektion mit der Aussenluft vorgewärmt wird. Da die Wärmeübertragungsflüssigkeit vom Verdampfer der Wärmepumpe kommt, hat sie beim Eintritt in die obere Kammer eine Temperatur, die niedriger ist als die Temperatur der Umgebungsluft. Nach der in der oberen Kammer erfolgenden Vorwärmung kann die Wärmeübertragungsflüssigkeit in die strahlungs-absorbierende untere Kammer gelangen, wo sie Wärmestrahlung aufnimmt. Auf diese Weise kann ein Höchstmass an kombinierter Wärme- und Konvektionsenergie aufgenommen werden.

Die beiden Kammern können in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung durch eine isolierende Gasschicht voneinander getrennt und in separate Flüssigkeitsläufe geschaltet sein. Bei diesem Kollektortyp übernimmt die obere Kammer, die transparent und ständig mit Wärmeübertragungsflüssigkeit gefüllt ist, den Wärmetausch mit der Umgebung durch Verbindung mit dem. Verdampfer der Wärmepumpe. Die strahlungsabsorbierende untere Kammer ist dagegen in einen separaten Flüssigkeitsstrom geschaltet, welcher entweder direkt oder über einen Wärmetauscher mit dem Verbraucher gekoppelt ist. Bei hinreichendem Energieangebot aus Strahlungswärme wird die Wärmeübertragungsflüssigkeit in der oberen Kammer nicht umgewälzt. Lediglich die Flüssigkeit der unteren Kammer wird bewegt. Bei unzureichendem Angebot an Strahlungsenergie oder bei grossem Energiebedarf wird dagegen der Flüssigkeitsstrom der oberen Kammer zugeschaltet und entweder direkt dem Verdampfer der Wärmepumpe zugeführt oder wahlweise auch erst nach Durchlaufen des Wärmetauschers für den Flüssigkeitsstrom der unteren Kammer. Diese Betriebsweise erlaubt das Nachheizen des Flüssigkeitsstromes aus der oberen Kammer durch denjenigen der unteren Kammer, welcher bei ausreichendem Strahlungsenergieangebot wärmer ist.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 den Anschluss eines Zweikammerkollektors bei zwei verschiedenen Betriebsarten, und

Fig. 3 das Schema eines Zweikammerkollektors, bei dem die beiden Kammern durch eine strahlungsdurchlässige isolierende Gasschicht voneinander getrennt und thermisch parallel geschaltet sind.

Der Wärmekollektor 30 nach Fig. 1 und 2 besteht aus zwei flachen übereinander angeordneten Kammern 31,32, die durch

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eine Trennwand 33 voneinander getrennt sind. Die untere Kammer absorbiert die von oben einfallende und die obere Kammer 31 passierende Wärmestrahlung, während der Inhalt der oberen Kammer 31 im wesentlichen durch Wärmeleitung durch die Bedeckung der oberen Kammer hindurch erwärmt wird.

In den Zu- und Ableitungen der Kammern 31,32 befinden sich verschiedene Ventile V und V'. Bei der in Fig. 1 dargestellten Betriebsart sind die Ventile V' geöffnet und die Ventile V geschlossen, während bei dem Betriebszustand nach Fig. 2 die Ventile V geöffnet und die Ventile V' geschlossen sind.

Bei Niedriglastbetrieb, der in Fig. 1 dargestellt ist, fördert die Pumpe 34 Wärmeübertragungsflüssigkeit durch das Ventil V'l zum Wärmeverbraucher 35, wo sie sich abkühlt. Die Wärmeübertragungsflüssigkeit strömt weiter durch das geöffnete Absperrventil 36 und das Ventil V'2 in die untere Kammer 32 des Wärmekollektors 30. Die obere Kammer 31, deren Wand transparent ist, enthält keine Wärmeübertragungsflüssigkeit, sondern ist mit Luft gefüllt. Die Wärmeübertragungsflüssigkeit in der untern Kammer 32 erwärmt sich durch Absorption der einfallenden Strahlung und verlässt die Kammer durch die Leitung 37, um durch das Ventil V'3 zurück zur Pumpe 34 zu strömen.

Bei dieser Betriebsart wird lediglich Strahlungswärme gewonnen, jedoch keine Umgebungs wärme aus der Luft. Die untere Kammer 32 des Wärmekollektors ist zur Erhöhung der Strahlungsabsorption mit einer Absorptionsschicht ausgekleidet.

Zur Füllung und Entleerung der Kammern 31 und 32 steht ein Flüssigkeitsreservoir 38 zur Verfügung, aus dem einè Versorgungspumpe 39 über eine Füll- und Entleerungsleitung 40 Wärmeübertragungsflüssigkeit in jede der Kammern pumpen kann. Die Entleerung der Kammern erfolgt ebenfalls über diese Leitung 40. Zum Entleeren und Füllen der Kammern wird ein Entlüftungsventil 41 geöffnet. Das Flüssigkeitsreservoir 38 kann auch als Speicher für Überschusswärme verwendet werden.

Um die Wärmeübertragungsflüssigkeit nach dem Verlassen des Wärmeverbrauchers 35 unter die Umgebungstemperatur des Wärmekollektors 30 abzukühlen, kann sie einer Kühlschlange 42 zugeführt werden, die in dem Flüssigkeitsreservoir 38 angeordnet ist, indem das Anschlussventil 43 geöffnet und das Absperrventil 36 geschlossen wird. Nach dem Verlassen der Kühlschlange 42 gelangt die Wärmeübertragungsflüssigkeit über das Ventil V'2 in die untere Kammer 32.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Betriebszustand durchströmt die Wärmeübertragungsflüssigkeit beide Kammern 31 und 32 des Wärmekollektors 30. Sie gelangt mit einer unter der Umgebungstemperatur liegenden Temperatur durch das geöffnete Ventil VI in die obere Kammer 31, erwärmt sich vorwiegend durch Konvektion und verlässt die obere Kammer durch die Leitung 44, die mit der in die untere Kammer 32 hineinführenden Leitung 37 in Verbindung steht. Die Strömungsrichtungen in den Kammern sind durch Pfeile angedeutet. Die Wärmeübertragungsflüssigkeit verlässt die untere Kammer durch Leitung 45 und das geöffnete Ventil V2 und gelangt zur Pumpe 34. Von dort wird die Wärmeübertragungsflüssigkeit durch das geöffnete Ventil V3 zum Verdampfer 46 der Wärmepumpe 48 geführt, wo sie abkühlt, um anschliessend durch die Leitung 49 und über das Ventil VI wieder in die obere Kammer 31 geleitet zu werden.

Der Kondensator 47 der Wärmepumpe 48 ist direkt an den Wärmeverbraucher 35 angeschlossen.

Während bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 die beiden Kammern 31 und 32 entsprechend den eingezeichneten Pfeilen im Gegenstrom von der Wärmeübertragungsflüssigkeit durchflössen werden, kann es auch zweckmässig sein, die Einlässe und Auslässe der Kammern so zu legen, dass beide Kammern in derselben Richtung durchströmt werden. Dies hätte den Vorteil, dass dasj enige Ende der oberen Kammer 31, an dem die Wärmeübertragungsflüssigkeit die höchste Temperatur hat, demjenigen Ende der unteren Kammer 32 benachbart ist, an welchem die Wärmeübertragungsflüssigkeit dieser Kammer ebenfalls die

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höchste Temperatur hat.

Eine zweite Variante der Wärmekollektoranlage nach der Erfindung zeigt Fig. 3. Hier besteht der Wärmekollektor aus einer unteren Kammer 51, die mit einer Absorptionsschicht für Wärmestrahlung versehen ist, und einer transparenten oberen 5 Kammer 52. Beide Kammern sind durch eine isolierende Gasschicht 53 voneinander getrennt. Diese kann Luft oder ein Edelgas, wie Argon oder Krypton, enthalten.

Bei hinreichendem Energieangebot aus Strahlungswärme wird der Flüssigkeitsstrom in der oberen Kammer 52 nicht umgewälzt. 10 Die Wärmeübertragungsflüssigkeit, die sich in der unteren Kammer 51 durch Wärmestrahlung erwärmt hat, wird durch den Wärmetauscher 54 hindurchgeleitet und durch die erste Pumpe 55 wieder in die untere Kammer 51 hineingepumpt. Die Sekundärleitungen 56 des Wärmetauschers 54 können an einen Wär- 15 meverbraucher angeschlossen werden.

Ist der Energiebedarf grösser als das Strahlungsenergieangebot, wird ein zweiter Kreislauf durch die obere Kammer 52 in Betrieb gesetzt. Eine zweite Pumpe 57 treibt die Wärmeübertragungsflüssigkeit durch die obere Kammer 52 hindurch und 20 anschliessend über ein Ventil 58 zum Verdampfer 59 der Wärmepumpe 60 und zurück zum Pumpeneinlass. Der Kondensator 61 der Wärmepumpe ist an den Wärmeverbraucher 62 angeschlossen.

Diese Schaltvariante bietet die Möglichkeit, Wärme aus der 25 unteren und der oberen Kammer separat an mehrere Verbraucher oder an einen Verbraucher abzugeben. Dies kann vorteilhaft für Frischluftheizungen sein, bei denen die Aufheizung des Frischluftstromes über eine Heizkaskade erfolgt. Hierbei würde die Wärmeenergie der unteren Kammer an ein im Frischluftstrom liegendes Heizregister abgegeben, um dieses vorzuheizen.

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Durch ein nachgeschaltetes Heizregister, welches durch die mit der Wärmepumpe 60 aufgewertete Niedertemperaturwärme des oberen Kollektorkreislaufs beschickt wird, erfolgt die Endaufheizung des Luftstromes, falls dies erforderlich ist.

Durch Trennen der Flüssigkeitsströme der beiden Kammern 51,52 besteht ausserdem die Möglichkeit, Wärme aus der unteren Kammerin einem Wärmespeicher,z. B. für die Nachtzeit oder die morgendliche Aufheizphase eines Gebäudes, zu speichern und den im allgemeinen geringeren Tagesenergiebedarf über den Flüssigkeitsstrom der oberen Kammer zu decken.

Die Anlage der Fig. 3 ist energiewirtschaftlich von besonderem Vorteil, da durch direkte Nutzung der im Flüssigkeitsstrom der unteren Kammer enthaltenen Wärme, die sich zumindest während der Sonnenscheinphase auf höherem Temperaturniveau befindet als diejenige der oberen Kammer, vermieden wird, dass hochwertige Wärme durch Vermischen in minderwertige Wärme umgewandelt wird.

Eine Beeinflussung der beiden Kreisläufe kann dadurch erfolgen, dass das Ventil 58 gesperrt und das Absperrventil 63 geöffnet wird. Die Wärmeübertragungsflüssigkeit, die die obere Kammer 52 verlässt, gelangt dadurch nicht direkt in den Verdampfer 59 der Wärmepumpe 60, sondern zunächst durch den Wärmetauscher 54 hindurch und dann über Leitung 64 zum Verdampfer. In dem Wärmetauscher 54 erfolgt eine Vorheizung der Wärmeübertragungsflüssigkeit, bevor diese der Wärmepumpe zugeführt wird, um die Wärmepumpe mit günstigerer Leistungsziffer betreiben zu können. Wenn die Wärmeübertragungsflüssigkeit den Verdampfer 59 der Wärmepumpe 60 wieder verlässt und in die obere Kammer 52 einströmt, liegt ihre Temperatur jedoch immer noch unter der Umgebungstemperatur des Kollektors.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

637 200 PATENTANSPRÜCHE

1. Wärmekollektoranlage mit einem aus der Umgebungsluft Wärme aufnehmenden Wärmekollektor, der mit einer wärmeleitenden Oberfläche versehen ist und mit einer mit dem Wärmekollektor verbindbaren Wärmepumpe, wobei das Innere des Wärmekollektors über einen Kreislauf für eine Wärmeübertragungsflüssigkeit mit dem Verdampfer der Wärmepumpe in Reihe verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmekollektor (30) zwei übereinanderliegende Kammern (31,32) aufweist, von denen die untere strahlungsabsorbierend ausgebildet ist, während die obere transparent ist, und dass der Fluss der Wärmeübertragungsflüssigkeit durch die obere Kammer (31) hindurch abschaltbar ist, wobei bei abgeschaltetem Fluss durch die obere Kammer die untere Kammer (32) des Wärmekollektors (30) mit mindestens einem Wärmeverbraucher (35,42) in Reihe liegt.

2. Wärmekollektoranlage mit einem aus der Umgebungsluft Wärme aufnehmenden Wärmekollektor, der mit einer wärmeleitenden Oberfläche versehen ist und mit einer mit dem Wärmekollektor verbindbaren Wärmepumpe, wobei das Innere des Wärmekollektors über einen Kreislauf für eine Wärmeübertragungsflüssigkeit mit einem Wärmetauscher in Reihe verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmekollektor (50) zwei übereinanderliegende Kammern (51,52) aufweist, von denen die untere strahlungsabsorbierend ausgebildet ist, während die obere transparent ist, und dass der Fluss der Wärmeübertragungsflüssigkeit durch die obere Kammer (52) hindurch abschaltbar ist, wobei bei abgeschaltetem Fluss durch die obere Kammer die untere Kammer (51) des Wärmekollektors (50) mit dem Wärmetauscher (54) in Reihe liegt.

3. Wärmekollektoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kammern (31,32) durch eine Verbindungsleitung (44,37) in Reihe an die Wärmepumpe (48) anschliessbar sind (Fig. 2).

4. Wärmekollektoranlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kammern (51,52) durch eine isolierende Gasschicht (53) voneinander getrennt und in separate Flüssigkeitskreisläufe geschaltet sind (Fig. 3).

5. Wärmekollektoranlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Kammer (52) an die Wärmepumpe (60) angeschlossen ist, die einen Wärmeverbraucher (62) versorgt, und dass die untere Kammer (51) am Wärmetauscher (54) angeschlossen ist.

6. Wärmekollektoranlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsleitung der oberen Kammer (52) über ein Absperrventil (63) mit dem von der Wärmeübertragungsflüssigkeit der unteren Kammer (51) erwärmten Wärmetauscher (54) verbunden ist, so dass die Wärmeübertragungsflüssigkeit in zusätzlich vorgewärmtem Zustand der Wärmepumpe (60) zugeführt wird.