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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.
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PATENT CLAIM E
1. A device for absorbing and storing solar energy, with a pipe circuit (3) for guiding a liquid heat carrier, characterized in that a storage layer (2) is arranged on the earth, that the pipe circuit (3) lies on the storage layer, and that An absorber layer (8) which at least partially surrounds the tube circle is arranged above the storage layer.
2. Device according to claim 1, characterized in that the storage layer (2) is 20 to 50 cm, preferably 30 cm, thick and consists of concrete, rubble or gravel with binding material.
3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the absorber layer (8) is 5 to 10 cm, preferably 6 to 8 cm, thick and contains asphalt, concrete, washed concrete slabs and / or cement blocks.
4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the tube circle (3) comprises metal tubes, in particular copper tubes.
5. Device according to claim 4, characterized in that for better and more uniform heat transfer, metallic contact lamellae (9), which are laid transversely to the metal pipes, are present and are connected in a heat-conducting manner to the metal pipes.
6. Device according to claim 1, characterized in that it is designed as an entrance, forecourt, parking lot or street.
7. Bivalent heating system with a heat pump, which comprises the device according to claim 1.
The invention relates to a device according to the preamble of claim 1.
Numerous absorbers for solar energy are known in which a liquid heat transfer medium is guided in a coil which is colored dark and is directly exposed to solar radiation. These known absorbers absorb the solar energy and give off the heat absorbed by means of the heat transfer medium to a heat accumulator set up separately from the absorber. In CH-PS No. 612 495 a solar collector is described which contains a concrete slab as a heat storage mass. The top of the concrete slab is provided with ribs on which a lightly permeable slab rests. The underside of the heat storage plate is provided with a heat insulation layer and tubular parts are embedded within the concrete plate, which form part of a circuit for a heat transfer medium.
This well-known solar collector is used exclusively to absorb the direct solar radiation and to temporarily store the absorbed solar energy.
It is an object of the invention to provide a device of the type mentioned, which can be used as an absorber and storage for a bivalent heating system with a heat pump, as well as being walked on and driven over.
The device according to the invention is characterized by the features stated in the characterizing part of patent claim 1.
The subject matter of the invention is explained in more detail below with reference to the drawing, for example. Show it
1 shows a section through part of an embodiment of the device according to the invention,
Fig. 2 is a top view of the device according to Fig. 1, the top layer, i.e. the absorber layer has not yet been applied,
3 is a plan sketch of a family home,
Fig. 4 is a schematic representation of a heating system, of which the device according to FIGS. 1 and 2 is part thereof, and
Fig. 5 is a schematic representation of the operation of the device in four different operating states.
FIG. 1 shows part of an exemplary embodiment of the device according to the invention for absorbing and storing solar energy in section and FIG. 2 shows the same device in the as yet unfinished state in a top view. On the ground 1, from which the humus has preferably been at least partially removed, there is a storage layer 2, for example made of lean concrete. A tube circle 3 is designed on the storage layer 2. The pipe circle 3 comprises a metal pipe 4 laid in a serpentine, meandering or zigzag shape for the passage of a liquid heat transfer medium, for example water containing an antifreeze.
An example of the laying of the metal tube 4 is shown in FIG. 2. The tube circuit 3 formed in this way has an inlet 5, through which the cooled heat transfer medium enters, and an outlet 6, through which the heat transfer medium heated in the tube circuit 3 exits. The at the entrance or
The pipes connected to the outlet are preferably surrounded by an insulating layer 7.
An absorber layer 8, for example made of asphalt, is applied over the metal pipe 4 laid out on the storage layer 2, the metal pipe 4 being at least partially embedded in the absorber layer 8.
The storage layer 2 can also contain rubble or gravel with a binder instead of lean concrete and is about 20 to 50 cm, preferably 30 cm, thick. Instead of asphalt, the absorber layer 8 can also have concrete, washed concrete slabs and / or cement blocks and is about 5 to 10 cm, preferably 6 to 8 cm, thick. A copper tube is preferably used to form the tube circle 3.
For better and more uniform heat distribution, metallic contact lamellae 9 running transversely to the approximately parallel sections of the metal tube 4 can be provided, which are shown in broken lines in FIG. 2.
3 shows a plan sketch of a single-family house 10, the building plot abutting a street 11. Street 11 is connected to a garage in single-family house 10 via an entrance 12. In the driveway 12, the storage layer 2 shown in dashed lines is embedded, the absorber layer 8 of asphalt covering the storage layer 2 and the pipe circle 3, not shown in FIG.
A forecourt 13, for example made of washed concrete slabs 14, is also arranged outside the single-family house 10. Below the washed concrete slab 14 there is a storage layer 2 made of lean concrete, not visible in FIG. 3, and a pipe circle 3, likewise not visible, is arranged between the storage layer and the washed concrete slabs 14. The parts mentioned also form an embodiment of the device according to the invention.
In a similar way, a connecting path 15 can also be formed between the street 11 and the house entrance 16 of the single-family house 10, the connecting path likewise representing a device for absorbing and storing solar energy.
FIG. 4 schematically shows a bivalent heating system for the single-family house 10 shown in FIG. 3. This heating system comprises a heat accumulator 20, to which heat can be supplied during peak loads by means of an oil burner (not shown) or an electrical heating element 41 shown schematically. The heating water, controlled by a mixing valve 22, is pumped through the various heat consumers 23 of the detached house in a known manner by means of a feed pump 21. The heating system also has a heat pump 24 and the device 25 described above for absorbing and storing solar energy. With the aid of a feed pump 26, the heat carrier located in the device 25 is conveyed in a circuit formed by the device 25 and the evaporator 27 of the heat pump 24.
Another feed pump 28 pumps the heating water heated in the condenser 29 of the heat pump 24 into the heat accumulator 20.
5 shows very schematically four different modes of operation of the device according to the invention, only a small section of the device being shown in each case. 5a, the arrow 30 shows the solar energy that strikes the absorber layer 8 during a summer day. Since the heating system is not in operation, no energy is dissipated through the metal tube 8 and the entire radiated energy reaches the storage layer 2 and partly also the ground 1, as indicated by arrow 31.
During an autumn day, according to FIG. 5b, solar energy radiated by an arrow 32 is practically completely dissipated via the metal pipe 4 to the heating system, see arrow 35, so that the storage layer 2 is neither supplied nor removed.
5c shows, for example, the conditions on a late autumn day, on which the radiated energy, arrow 34, is not sufficient to cover the energy requirement indicated by arrow 35. The missing energy is taken from the storage layer 2, which is indicated by the arrow 36.
5d shows the conditions during the night, the energy indicated by arrow 37 for the heating system being taken from the storage layer and possibly also from the ground 1, as indicated by arrow 38.
The arrangement of the tube circle 3, or the metal tube 4, directly above the storage layer 2 and not in the same, makes better use of the stored heat, since after the heating process the heat is predominantly dissipated upwards. If the metal tube 4 were inside the storage layer 2, the heat of the parts of the storage layer 2 lying above the metal tube would be released into the ambient air unused. As a result, the heat loss of the storage layer to the outside would be significantly greater or the heat use correspondingly less favorable.
The storage layer 2 is not thermally insulated from the ground 1, because the storage layer 2 as a cold storage device has practically no losses to the ground 1 anyway during the heating period, and thermal insulation is therefore unnecessary. The elimination of the thermal insulation enables the inclusion of the ground 1 for the energy use of the heat stored in the ground, especially during the time at which low outside temperatures occur predominantly during the night.
The specific storage capacity / m 2 is determined by the thickness of the storage layer 2. This thickness is decisive for the phase shift in the use of the memory.
The ideal thickness of the storage layer 2 of approximately 30 cm results in a phase shift of approximately 8 hours, which corresponds to a daily storage.
If, as shown in FIG. 4, two two-way valves 39 and 40 are used in the circuit of the heat transfer medium for the device 25 described above, the device 25 can also be used to keep the entrance 12 free of ice, for example. In this case, the device 25 is supplied by the feed pump 20 with the water heated by the heating water and containing the antifreeze, so that the surface of the absorber layer 8 has a temperature which is above the freezing point of the liquid on said surface. A de-icing agent can be dissolved in this liquid, whereby the freezing point is below 0. In this case, the energy required to heat the absorber layer 8 is supplied by the energy source which is used to heat the boiler 20.
After the defrosting process, however, at least some of the energy supplied by the aforementioned energy carrier can be recovered again by means of the device 25 and heat pump 24.
The device described above is an inexpensive heat source for a heating system with a heat pump and is particularly suitable for a so-called bivalent heating system which is operated with a second energy source, such as electricity, oil, gas, coal or wood. The second energy source is only used for peak coverage.
The optimal phase shift (not less than eight hours) allows the device according to the invention to be used to the maximum, since the ideal usage temperature coincides largely with the inexpensive operating time (night tariff) during heat pump operation.
The facility described above does not require any additional space because the area in which the facility is located is already being used, be it through the driveway, the parking lot, the connecting path or the garden space. It is also conceivable to design the street itself in a similar way to the entrance, as a result of which the street itself could be used as an energy source.
The device according to the invention is not visible from the outside, so that there are no aesthetic difficulties, as is the case, for example, when installing solar panels on the roofs or next to the houses. In addition, not only the direct and diffuse solar radiation is absorbed, but also the warmth of rain can be used, for example, as well as the sensible and latent warmth from the ambient air.