CH661340A5 - Arrangement for absorbing and storing solar energy - Google Patents

Description

  
 

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      PATENTANSPRÜCH E   
1. Einrichtung zum Absorbieren und Speichern von Sonnenenergie, mit einem Rohrkreis (3) zum Führen eines flüssigen Wärmeträgers, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Erde eine Speicherschicht (2) angeordnet ist, dass der Rohrkreis (3) auf der Speicherschicht liegt, und dass über der Speicherschicht eine den Rohrkreis zumindest teilweise umschliessende Absorberschicht (8) angeordnet ist.



   2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherschicht (2) 20 bis 50 cm, vorzugsweise 30 cm, dick ist und aus Beton, Geröll oder Kies mit Bindematerial besteht.



   3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberschicht (8)5 bis 10 cm, vorzugsweise 6 bis 8 cm, dick ist und Asphalt, Beton, Waschbetonplatten und/oder Zementsteine enthält.



   4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrkreis (3) Metallrohre, insbesondere Kupferrohre, umfasst.



   5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur besseren und gleichmässigen Wärmeübertragung quer zu den Metallrohren verlegte, metallische Kontaktlamellen (9) vorhanden sind, die wärmeleitend mit den Metallrohren verbunden sind.



   6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Einfahrt, Vorplatz, Parkplatz oder Strasse ausgebildet ist.



   7. Bivalente Heizanlage mit einer Wärmepumpe, welche die Einrichtung nach Anspruch 1 umfasst.



   Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäss den Oberbegriff des Patentanspruches 1.



   Es sind zahlreiche Absorber für Sonnenenergie bekannt, bei denen ein flüssiger Wärmeträger in einer Rohrschlange geführt wird, die dunkel gefärbt und der Sonnenstrahlung direkt ausgesetzt ist. Diese bekannten Absorber nehmen die Sonnenenergie auf und geben die aufgenommene Wärme mittels des Wärmeträgers an einen getrennt vom Absorber aufgestellten Wärmespeicher ab. In der CH-PS Nr. 612 495 ist ein Sonnenkollektor beschrieben, der eine Betonplatte als Wärmespeichermasse enthält. Die Oberseite der Betonplatte ist mit Rippen versehen, auf denen eine leichtdurchlässige Platte aufliegt. Die Unterseite der Wärmespeicherplatte ist mit einer Wärmedämmschicht versehen und innerhalb der Betonpiatte sind Rohrteile eingebettet, die einen Teil eines Kreislaufes für einen Wärmeträger bilden.

   Dieser bekannte Sonnenkollektor dient ausschliesslich zum Absorbieren der direkten Sonnenstrahlung und der kurzzeitigen Speicherung der absorbierten Sonnenenergie.



   Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die gleichwertig als Absorber und Speicher für eine bivalente Heizanlage mit einer Wärmepumpe verwendbar sowie begeh- und befahrbar ist.



   Die erfindungsgemässe Einrichtung ist durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angeführten Merkmale gekennzeichnet.



   Der Erfindungsgegenstand ist nachstehend mit Bezugnahme auf die Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 einen Schnitt durch einen Teil eines Ausführungsbeispieles der erfindungsgemässen Einrichtung,
Fig. 2 die Draufsicht auf die Einrichtung gemäss der Fig. 1, wobei die oberste Schicht, d.h. die Absorberschicht, noch nicht aufgebracht worden ist,
Fig. 3 eine Planskizze eines Einfamilienhauses,
Fig. 4 die schematische Darstellung einer Heizanlage, von welcher die Einrichtung gemäss den Fig. 1 und 2 ein Teil derselben ist, und
Fig. 5 die schematische Darstellung der Wirkungsweise der Einrichtung in vier verschiedenen Betriebszuständen.



   In der Fig.   list    ein Teil eines Ausführungsbeispieles der erfindungsgemässen Einrichtung zum Absorbieren und Speichern von Sonnenenergie im Schnitt und in der Fig. 2 dieselbe Einrichtung im noch nicht fertigen Zustand in der Draufsicht dargestellt. Auf dem Erdboden 1, von dem vorzugsweise der Humus zumindest teilweise entfernt worden ist, liegt eine Speicherschicht 2, beispielsweise aus Magerbeton. Auf der Speicherschicht 2 ist ein Rohrkreis 3 ausgelegt. Der Rohrkreis 3 umfasst einen schlangenlinien-, meander- oder zickzackförmig verlegtes Metallrohr 4 zum Hindurchführen eines flüssigen Wärmeträgers, beispielsweise ein Frostschutzmittel enthaltendes Wasser.



   Ein Beispiel der Verlegung des Metallrohres 4 ist in der Fig. 2 dargestellt. Der so gebildete Rohrkreis 3 besitzt einen Eingang 5, durch den der abgekühlte Wärmeträger eintritt, und einen Ausgang 6, durch den der im Rohrkreis 3 erwärmte Wärmeträger austritt. Die an den Eingang bzw.



  den Ausgang angeschlossenen Rohrleitungen sind vorzugsweise mit einer Isolierschicht 7 umgeben.



   Über das auf der Speicherschicht 2 ausgelegte Metallrohr 4 wird eine Absorberschicht 8, beispielsweise aus Asphalt, aufgebracht, wobei das Metallrohr 4 zumindest teilweise in der Absorberschicht 8 eingebettet ist.



   Die Speicherschicht 2 kann anstelle von Magerbeton auch Geröll oder Kies mit einem Bindemittel enthalten und ist etwa 20 bis 50 cm, vorzugsweise 30 cm, dick. Die Absorberschicht 8 kann anstelle von Asphalt auch Beton, Waschbetonplatten und/oder Zementsteine aufweisen und ist etwa 5 bis 10 cm, vorzugsweise 6 bis 8 cm, dick. Vorzugsweise wird zur Bildung des   Rohrkreises    3 ein Kupferrohr verwendet.



   Zur besseren und gleichmässigeren Wärmeverteilung können quer zu den etwa parallel verlaufenden Teilstücken des Metallrohres 4 verlaufende metallische Kontaktlamellen 9 vorgesehen sein, die in der Fig. 2 gestrichelt dargestellt sind.



   Die Fig. 3 zeigt eine Planskizze eines Einfamilienhauses 10, wobei das Baugrundstück an eine Strasse   11    anstösst. Die Strasse   11    ist über eine Einfahrt 12 mit einer Garage in dem Einfamilienhaus 10 verbunden. In der Einfahrt 12 ist die gestrichelt dargestellte Speicherschicht 2 eingelassen, wobei die die Speicherschicht 2 und der in der Fig. 3 nicht dargestellte Rohrkreis 3 überdeckende Absorberschicht 8 aus Asphalt gleichzeitig als Absorberschicht und als Fahrbelag dient.



   Ausserhalb des Einfamilienhauses 10 ist weiter ein Gartenvorplatz 13, beispielsweise aus Waschbetonplatten 14 angeordnet. Unterhalb der Waschbetonplatte 14 befindet sich eine in der Fig. 3 nicht sichtbare Speicherschicht 2 aus Magerbeton und ein ebenfalls nicht sichtbarer Rohrkreis 3 ist zwischen der Speicherschicht und den Waschbetonplatten 14 angeordnet. Die genannten Teile bilden ebenfalls ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Einrichtung.



   In ähnlicher Weise kann auch ein Verbindungsweg 15 zwischen der Strasse 11 und dem Hauseingang 16 des Einfamilienhauses 10 ausgebildet sein, wobei der Verbindungsweg ebenfalls eine Einrichtung zum Absorbieren und Speichern von Sonnenenergie darstellt.  



     Inder    Fig. 4 ist eine bivalente Heizanlage für das in der Fig. 3 gezeichnete Einfamilienhaus 10 schematisch dargestellt. Diese Heizanlage umfasst einen Wärmespeicher 20, dem während Spitzenbelastungen Wärme mittels eines nicht dargestellten Ölbrenners oder eines schematisch dargestellten elektrischen Heizelementes 41 zugeführt werden kann. Mittels einer Förderpumpe 21 wird in bekannter Weise das Heizwasser, gesteuert durch ein Mischventil 22, durch die verschiedenen Wärmeabnehmer 23 des Einfamilienhauses gepumpt. Die Heizanlage besitzt weiter eine Wärmepumpe 24 und die weiter oben beschriebene Einrichtung 25 zum Absorbieren und Speichern von Sonnenenergie. Mit Hilfe einer Förderpumpe 26 wird der in der Einrichtung 25 befindliche Wärmeträger in einem durch die Einrichtung 25 und den Verdampfer 27 der Wärmepumpe 24 gebildeten Kreislauf gefördert.

   Eine weitere Förderpumpe 28 fördert das im Verflüssiger 29 der Wärmepumpe 24 erwärmte Heizwasser in den Wärmespeicher 20.



   Die Fig. 5 zeigt ganz schematisch vier verschiedene Wirkungsweisen der erfindungsgemässen Einrichtung, wobei von der Einrichtung jeweils nur ein kleiner Ausschnitt dargestellt ist. In der Fig. 5a ist mit einem Pfeil 30 die während eines Sommertages auf die Absorberschicht 8 auftreffende Sonnenenergie dargestellt. Da die Heizanlage nicht in Betrieb ist, wird durch das Metallrohr 8 keine Energie abgeführt und die gesamte eingestrahlte Energie gelangt in die Speicherschicht 2 und teilweise auch in den Erdboden 1, wie dies durch den Pfeil 31 angedeutet ist.



   Während einem Herbsttag wird gemäss der Fig. 5b durch einen Pfeil 32 eingestrahlte Sonnenenergie praktisch vollständig über das Metallrohr 4 zur Heizanlage abgeführt, siehe Pfeil 35, so dass der Speicherschicht 2 weder Wärme zugeführt noch entzogen wird.



   Die Fig. 5c zeigt beispielsweise die Verhältnisse an einem Spätherbsttag, an welchem die eingestrahlte Energie, Pfeil 34, nicht ausreicht, um den durch den Pfeil 35 angegebenen Energiebedarf zu decken. Die fehlende Energie wird der Speicherschicht 2 entnommen, was durch den Pfeil 36 angedeutet ist.



   Die Fig. 5d zeigt die Verhältnisse während der Nacht, wobei die durch den Pfeil 37 angegebene Energie für die Heizanlage der Speicherschicht und gegebenenfalls auch dem Erdboden 1 entnommen wird, wie dies durch den Pfeil 38 angegeben ist.



   Durch die Anordnung des Rohrkreises 3, bzw. des Metallrohres 4, unmittelbar über der Speicherschicht 2 und nicht in derselben, wird die gespeicherte Wärme besser genutzt, da nach dem Erwärmungsvorgang die Wärme vorwiegend nach oben hin abgeleitet wird. Befände sich das Metallrohr 4 innerhalb der Speicherschicht 2, so würde die Wärme der über dem Metallrohr liegenden Teile der Speicherschicht 2 ungenutzt an die Umgebungsluft abgegeben werden. Demzufolge wäre der Wärmeverlust der Speicherschicht nach aussen bedeutend grösser bzw. die Wärmenutzung entsprechend ungünstiger.



   Die Speicherschicht 2 ist zum Erdboden 1 hin nicht thermisch isoliert, weil die Speicherschicht 2 als Kaltspeicher während der Heizperiode ohnehin praktisch keine Verluste zum Erdboden 1 hin aufweist und eine thermische Isolation somit unnötig ist. Der Wegfall der thermischen Isolation ermöglicht den Miteinbezug des Erdbodens 1 zur Energienutzung der im Erdboden gespeicherten Wärme, insbesondere während der Zeit, zu welcher tiefe Aussentemperaturen vorwiegend während der Nacht auftreten.



   Die spezifische Speicherkapazität/m2 wird durch die Dicke der Speicherschicht 2 bestimmt. Diese Dicke ist für die Phasenverschiebung der Nutzung des Speichers massgebend.



  Die ideale Dicke der Speicherschicht 2 von etwa 30 cm ergibt eine Phasenverschiebung von ca. 8 Stunden, was einem   Tagesspeicher entspricht.   



   Wenn, wie dies in der Fig. 4 dargestellt ist, im Kreislauf des Wärmeträgers für die oben beschriebene Einrichtung 25 zwei Zweiwegventile 39 und 40 eingesetzt werden, so kann die Einrichtung 25 auch zum Eisfreihalten beispielsweise der Einfahrt 12 benützt werden. Dabei wird der Einrichtung 25 durch die Förderpumpe 20 das durch das Heizwasser erwärmte das Frostschutzmittel enthaltende Wasser zugeführt, damit die Oberfläche der Absorberschicht 8 eine Temperatur aufweist, die über dem Gefrierpunkt der auf der genannten Oberfläche befindlichen Flüssigkeit liegt. In dieser Flüssigkeit kann ein Taumittel gelöst sein, wodurch der Gefrierpunkt unterhalb   0     ist. Die zum Erwärmen der Absorberschicht 8 benötigte Energie wird in diesem Falle durch jenen Energieträger geliefert, welcher zum Aufheizen des Heizkessels 20 dient.

   Nach dem Abtauvorgang kann jedoch wenigstens ein Teil der vom genannten Energieträger gelieferten Energie wieder mittels der Einrichtung 25 und Wärmepumpe 24 zurückgewonnen werden.



   Die oben beschriebene Einrichtung ist eine kostengünstige Wärmequelle für eine Heizanlage mit einer Wärmepumpe und eignet sich insbesondere für eine sogenannte bivalente Heizanlage, die mit einem zweiten Energieträger, wie Elektrizität, Öl, Gas, Kohle oder Holz betrieben wird. Der zweite Energieträger dient nur zur Spitzenabdeckung.



   Durch die optimale Phasenverschiebung (nicht unter acht Stunden) lässt sich die erfindungsgemässe Einrichtung maximal nutzen, fallen doch beim Wärmepumpenbetrieb die ideale Nutzungstemperatur mit der kostengünstigen Betriebszeit (Nachttarif) weitgehend zusammen.



   Die oben beschriebene Einrichtung benötigt keinen zusätzlichen Platz, weil der Bereich, in welchem sich die Einrichtung befindet, ohnehin schon ausgenützt wird, sei es durch die Einfahrt, den Parkplatz, den Verbindungsweg oder den Gartenplatz. Weiter ist es denkbar, die Strasse selbst ähnlich auszubilden wie die Einfahrt, wodurch die Strasse selbst als Energiequelle ausgenützt werden könnte.



   Die erfindungsgemässe Einrichtung ist von aussen nicht sichtbar, so dass sich keinerlei ästhetische Schwierigkeiten ergeben, wie dies beispielsweise beim Aufstellen von Sonnenkollektoren auf den Dächern oder neben den Häusern der Fall ist. Überdies wird nicht nur die direkte und die diffuse Sonnenstrahlung absorbiert, sondern es kann beispielsweise auch die Wärme von Regen ausgenützt werden, so wie die fühlbare und latente Wärme aus der Umgebungsluft. 

Claims (7)

1. PATENTANSPRÜCH E 1. Einrichtung zum Absorbieren und Speichern von Sonnenenergie, mit einem Rohrkreis (3) zum Führen eines flüssigen Wärmeträgers, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Erde eine Speicherschicht (2) angeordnet ist, dass der Rohrkreis (3) auf der Speicherschicht liegt, und dass über der Speicherschicht eine den Rohrkreis zumindest teilweise umschliessende Absorberschicht (8) angeordnet ist.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherschicht (2) 20 bis 50 cm, vorzugsweise 30 cm, dick ist und aus Beton, Geröll oder Kies mit Bindematerial besteht.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberschicht (8)5 bis 10 cm, vorzugsweise 6 bis 8 cm, dick ist und Asphalt, Beton, Waschbetonplatten und/oder Zementsteine enthält.
4. 4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrkreis (3) Metallrohre, insbesondere Kupferrohre, umfasst.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur besseren und gleichmässigen Wärmeübertragung quer zu den Metallrohren verlegte, metallische Kontaktlamellen (9) vorhanden sind, die wärmeleitend mit den Metallrohren verbunden sind.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Einfahrt, Vorplatz, Parkplatz oder Strasse ausgebildet ist.
7. 7. Bivalente Heizanlage mit einer Wärmepumpe, welche die Einrichtung nach Anspruch 1 umfasst.

   Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäss den Oberbegriff des Patentanspruches 1.

   Es sind zahlreiche Absorber für Sonnenenergie bekannt, bei denen ein flüssiger Wärmeträger in einer Rohrschlange geführt wird, die dunkel gefärbt und der Sonnenstrahlung direkt ausgesetzt ist. Diese bekannten Absorber nehmen die Sonnenenergie auf und geben die aufgenommene Wärme mittels des Wärmeträgers an einen getrennt vom Absorber aufgestellten Wärmespeicher ab. In der CH-PS Nr. 612 495 ist ein Sonnenkollektor beschrieben, der eine Betonplatte als Wärmespeichermasse enthält. Die Oberseite der Betonplatte ist mit Rippen versehen, auf denen eine leichtdurchlässige Platte aufliegt. Die Unterseite der Wärmespeicherplatte ist mit einer Wärmedämmschicht versehen und innerhalb der Betonpiatte sind Rohrteile eingebettet, die einen Teil eines Kreislaufes für einen Wärmeträger bilden.

   Dieser bekannte Sonnenkollektor dient ausschliesslich zum Absorbieren der direkten Sonnenstrahlung und der kurzzeitigen Speicherung der absorbierten Sonnenenergie.

   Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die gleichwertig als Absorber und Speicher für eine bivalente Heizanlage mit einer Wärmepumpe verwendbar sowie begeh- und befahrbar ist.

   Die erfindungsgemässe Einrichtung ist durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angeführten Merkmale gekennzeichnet.

   Der Erfindungsgegenstand ist nachstehend mit Bezugnahme auf die Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen Schnitt durch einen Teil eines Ausführungsbeispieles der erfindungsgemässen Einrichtung, Fig. 2 die Draufsicht auf die Einrichtung gemäss der Fig. 1, wobei die oberste Schicht, d.h. die Absorberschicht, noch nicht aufgebracht worden ist, Fig. 3 eine Planskizze eines Einfamilienhauses, Fig. 4 die schematische Darstellung einer Heizanlage, von welcher die Einrichtung gemäss den Fig. 1 und 2 ein Teil derselben ist, und Fig. 5 die schematische Darstellung der Wirkungsweise der Einrichtung in vier verschiedenen Betriebszuständen.

   In der Fig. list ein Teil eines Ausführungsbeispieles der erfindungsgemässen Einrichtung zum Absorbieren und Speichern von Sonnenenergie im Schnitt und in der Fig. 2 dieselbe Einrichtung im noch nicht fertigen Zustand in der Draufsicht dargestellt. Auf dem Erdboden 1, von dem vorzugsweise der Humus zumindest teilweise entfernt worden ist, liegt eine Speicherschicht 2, beispielsweise aus Magerbeton. Auf der Speicherschicht 2 ist ein Rohrkreis 3 ausgelegt. Der Rohrkreis 3 umfasst einen schlangenlinien-, meander- oder zickzackförmig verlegtes Metallrohr 4 zum Hindurchführen eines flüssigen Wärmeträgers, beispielsweise ein Frostschutzmittel enthaltendes Wasser.

   Ein Beispiel der Verlegung des Metallrohres 4 ist in der Fig. 2 dargestellt. Der so gebildete Rohrkreis 3 besitzt einen Eingang 5, durch den der abgekühlte Wärmeträger eintritt, und einen Ausgang 6, durch den der im Rohrkreis 3 erwärmte Wärmeträger austritt. Die an den Eingang bzw.

   den Ausgang angeschlossenen Rohrleitungen sind vorzugsweise mit einer Isolierschicht 7 umgeben.

   Über das auf der Speicherschicht 2 ausgelegte Metallrohr 4 wird eine Absorberschicht 8, beispielsweise aus Asphalt, aufgebracht, wobei das Metallrohr 4 zumindest teilweise in der Absorberschicht 8 eingebettet ist.

   Die Speicherschicht 2 kann anstelle von Magerbeton auch Geröll oder Kies mit einem Bindemittel enthalten und ist etwa 20 bis 50 cm, vorzugsweise 30 cm, dick. Die Absorberschicht 8 kann anstelle von Asphalt auch Beton, Waschbetonplatten und/oder Zementsteine aufweisen und ist etwa 5 bis 10 cm, vorzugsweise 6 bis 8 cm, dick. Vorzugsweise wird zur Bildung des Rohrkreises 3 ein Kupferrohr verwendet.

   Zur besseren und gleichmässigeren Wärmeverteilung können quer zu den etwa parallel verlaufenden Teilstücken des Metallrohres 4 verlaufende metallische Kontaktlamellen 9 vorgesehen sein, die in der Fig. 2 gestrichelt dargestellt sind.

   Die Fig. 3 zeigt eine Planskizze eines Einfamilienhauses 10, wobei das Baugrundstück an eine Strasse 11 anstösst. Die Strasse 11 ist über eine Einfahrt 12 mit einer Garage in dem Einfamilienhaus 10 verbunden. In der Einfahrt 12 ist die gestrichelt dargestellte Speicherschicht 2 eingelassen, wobei die die Speicherschicht 2 und der in der Fig. 3 nicht dargestellte Rohrkreis 3 überdeckende Absorberschicht 8 aus Asphalt gleichzeitig als Absorberschicht und als Fahrbelag dient.

   Ausserhalb des Einfamilienhauses 10 ist weiter ein Gartenvorplatz 13, beispielsweise aus Waschbetonplatten 14 angeordnet. Unterhalb der Waschbetonplatte 14 befindet sich eine in der Fig. 3 nicht sichtbare Speicherschicht 2 aus Magerbeton und ein ebenfalls nicht sichtbarer Rohrkreis 3 ist zwischen der Speicherschicht und den Waschbetonplatten 14 angeordnet. Die genannten Teile bilden ebenfalls ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Einrichtung.

   In ähnlicher Weise kann auch ein Verbindungsweg 15 zwischen der Strasse 11 und dem Hauseingang 16 des Einfamilienhauses 10 ausgebildet sein, wobei der Verbindungsweg ebenfalls eine Einrichtung zum Absorbieren und Speichern von Sonnenenergie darstellt. **WARNUNG** Ende CLMS Feld konnte Anfang DESC uberlappen**.