DE10164102B4

DE10164102B4 - Anordnung zur Wärmespeicherung

Info

Publication number: DE10164102B4
Application number: DE10164102A
Authority: DE
Inventors: Winfried Hesse
Original assignee: Winfried Hesse
Current assignee: HESSE, WINFRIED, DIPL.-ING., DE
Priority date: 2001-07-20
Filing date: 2001-12-24
Publication date: 2005-05-12
Anticipated expiration: 2021-12-25
Also published as: DE10164102A1

Abstract

Anordnung zur Wärmegewinnung, welche besteht aus einem Kreislauf für ein Wärmeträgermedium, wobei der Kreislauf für das Wärmeträgermedium eine Wärmepumpe (12), einen Wärmespeicher (14), eine Förderpumpe (10a) für das Wärmeträgermedium und eine von dem Wärmeträgermedium durchströmte Absorberfläche (4a) eines Solarkollektors (2) umfasst,
und einem Kreislauf für Rieselwasser (8),
wobei der Kreislauf für da Rieselwasser (8) einen Wasserspeicher (9), eine Förderpumpe (10c) für das Rieselwasser (8) und eine Wasserzuführung (7) umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Absorberfläche (4a) von Rieselwasser (8) des Waserspeichers (9) berieselt werden kann, um dem Rieselwasser (8) des Wasserspeichers (9) bei fehlender Sonnenstrahlung Wärmeenergie zu entziehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Wärmegewinnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Anordnung ist aus dem deutschen Patent DE 4405991 C1 bekannt. Darin ist beschrieben, den Absorber der Wärmepumpe, auch als Verdampfer bezeichnet, über dem Wasserspeicher anzuordnen. Sich auf dem Absorber bildendes Eis soll sich, nach einer kurzzeitigen Erwärmung des Absorbers, von diesem lösen und in den Wasserspeicher fallen. Dafür ist über dem Wasserspiegel im Speicher ein entsprechender Platz erforderlich.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine günstigere Ausgestaltung des Absorbers anzugeben und den für die Anordnung erforderlichen Platz zu verringern.

Die US-PS 44 79 487 A sieht eine Berieselung des Solarkollektors zum Waschen der Oberfläche vor. Hier wird durch die Berieselung keine Wärme dem Rieselwasser ntzogen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Absorber vorzugsweise im Freien außerhalb des Bereichs des Wasserspeichers schräg angeordnet ist. Seine Unterkante befindet sich dabei oberhalb einer Grundfläche für dort zu lagerndes Eis. Wenn sich nun Eis auf dem Absorber bildet und dieses z.B. durch kurzzeitige Erwärmung des Absorbers abgelöst wird, gleitet es durch die schräge Anodrnung des Absorbers herunter auf die Grundfläche unterhalb des Absorbers. Insbesondere wenn der Absorber im Freien angeordnet ist, steht für das herabfallende Eis leicht genügend Platz zur Verfügung. Dieses Eis wird bei der nächsten Wärmeperiode und auch durch Regen geschmolzen.

Der Wasserspeicher kann beispielsweise mit Regenwasser gefüllt werden. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist unterhalb der Unterkante des Absorbers ein Behälter oder eine Drainage mit einer Verbindung zum Wasserspeicher angeordnet. Dadurch dient das geschmolzene Eis dazu, den Wasserspeicher aufzufüllen. Zweckmäßig ist der Behälter als Rinne ausgebildet.

Der Absorber kann auf einem schrägen Dach angeordnet werden. Wenn ferner ein Solarkollektor vorgesehen ist, der Sonnenwärme gewinnt, um zumindest zeitweise den Inhalt des Wasserspeichers zu erwärmen, ist es zweckmäßig, dass der Absorber schräg im Bereich des Solarkollektors angeordnet ist. Da der Solarkollektor ebenfalls schräg angeordnet ist, können Solarkollektor und Absorber als eine Einheit ausgebildet sein. Dadurch ergibt sich ein sehr kompakter und außerdem preisgünstig herzustellender Aufbau. Für einen besonders einfachen Aufbau kann der Absorber durch den Solarkollektor gebildet sein. Dabei dient der Solarkollektor insbesondere bei fehlender Sonnenstrahlung als Absorber, durch den Wärmeenergie aus dem Wasser des Wasserspeichers entzogen wird.

Mit der Erfindung wird also eine wesentlich erweiterte sinnvolle Nutzung von Solarkollektoren durch eine zusätzliche Wasserberieselung erreicht. Ohne Berieselung kann der Solarkollektor wie bisher gewohnt benutzt werden. Durch die Berieselung mit Wasser, in der kalten und sonnenarmen Jahreszeit und auch nachts, kann er zusätzlich einem zuvor solar erwärmten Wasservorrat einer Zisterne die gespeicherte Wärme entziehen. Dabei wird auch die besonders hohe Latentwärme bei der Umwandlung des Stoffzustandes von flüssig zu fest genutzt.

Im bereits erwähnten Patent DE 44 05 991 C1 wurde die solare Erwärmung von Speicherwasser zur Erzeugung von Warmwasser und Heizwärme durch eine Wärmepumpe beschrieben. Daraus ist bekannt, dass eine Umwandlung von Wasser in Eis nur außerhalb des Wasservorrats unproblematisch erfolgen kann. Die vorliegende Erfindung kombiniert nun den Verdampfer einer Wärmepumpe mit einem Solarkollektor, senkt dadurch die Erstellungskosten und steigert die Effizienz einer Anlage. Außerdem wird die Problematik einer gleichmäßigen Eisverteilung über die gesamte Speicherwasseroberfläche hierdurch besser gelöst.

Der Solarkollektor wird möglichst gut nach Süden ausgerichtet und geneigt aufgestellt. Er wird von einem Glykol-Wasser-Gemisch einer herkömmlichen Solaranlage oder einer Sole-Wasser-Wärmepumpe durchströmt. Die Betriebsart Solarwärme oder Wärmepumpeneinsatz ist je nach Bedarf umschaltbar. Tagsüber kann Sonnenwärme genutzt werden und nachts erzeugt die Wärmepumpe die benötigte Wärme durch Entwärmung des Wasservorrats.

Die Absorberfläche des Solarkollektors besteht, wie heute allgemein üblich, entweder aus selektiv- oder tinoabeschichteten Kupferstreifen mit aufgelöteter Kupferleitung oder auch aus synthetischem Kautschuk durch die das Entzugsmedium fließt. Vorteilhaft für Kunststoff ist EPDM-Material wegen seiner Temperatur- und UV-Beständigkeit, das häufig auch als Schwimmbadkollektor eingesetzt wird.

Besteht der Absorber aus Kupferstreifen und Kupferleitungen, dann kann zum Wärmeentzug auch das Kältemittel der Wärmepumpe direkt dienen (sog. Direktverdampfung). Hierbei wird der Übergang vom Kältemittel auf das Glykol-Wasser-Gemisch eingespart, das einen Wärmetauscher und eine Pumpe weniger bedeutet. Bei solarer Nutzung dient der Absorber als Verdampfer, in den das flüssige Kältemittel eingespritzt wird und darin verdampft. Im Wärmespeicher erfolgt dann, beispielsweise in einem Rippenrohr-Wärmetauscher, die Kondensation des Kältemitteldampfes bei gleichzeitiger Wärmeabgabe an das Speicherwasser.

Hat sich auf dem Absorber Eis angesetzt, dann wird dieses, für einen weiterhin guten Wärmeübergang, durch Wärmezufuhr über das zuvor Wärme absorbierende Medium zur Ablösung gebracht. Durch die Neigung des Absorbers rutscht das Eis von diesem herunter und fällt, weil dieser unten offen ist, entweder in einen Behälter oder in einen Auffanggraben. Das Eis und restliches Wasser werden mittels einer Drainage oder einer Rohrleitung in die unterirdische Zisterne geleitet. Hier wird das Wasser durch Erdwärme und überschüssige Solarwärme erwärmt. Das Wasser, es kann auch Regenwasser sein, durchläuft also ständig einen Kreislauf und dient hierbei lediglich als Wärme- bzw. Energiespeicher.

Durch dieses Verfahren und wesentlich größere Wärmespeicher mit thermischer Schichtung, z.B. gemäß der Patente DE 195 16 837 C2 und DE 196 45 801 C2 , kann der größte Teil unseres häuslichen Wärmebedarfs fast gratis durch die Sonne gedeckt werden. Zusätzlich kann das dabei entstehende Eis noch gratis zur Kühlung und Klimatisierung genutzt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen
1 einen Schnitt durch einen Solarkollektor mit Absorberfunktion durch Berieselung,
2 einen Schnitt durch einen wärmegedämmten reinen Absorber,
3 einen Schnitt durch einen Sandwich-Kollektor (Kombination von Solarkollektor und Absorber),
4 schematisch eine vollständige Anlage zur Wärmegewinnung eines Solarkollektors mit Absorberfunktion (ohne Frostschutz),
5 einen Teil einer entsprechenden Anlage mit einem Sandwich-Kollektor nach 3,
6 und 7 vereinfachte Teile der Anlage gemäß der 5.
1 zeigt einen Schnitt durch einen nach unten offenen Solarkollektor 2 mit der Möglichkeit einer Berieselung 7, der beispielsweise aus Profilglas besteht, auf dem heruntergezogenen Dach 1 eines Gebäudes. Bei Sonnenschein wird die Absorberfläche 4a durch Sonnenwärme erhitzt und diese Wärme durch ein Wärmeträgermedium einem Wärmespeicher zugeführt. Fehlt die Sonnenwärme und es wird ein Wärmemangel signalisiert, dann fließt aus der Wasserzuführung für Berieselung 7 aus einer vorzugsweise unterirdischen Zisterne Wasser über die Absorberfläche 4a und eine Wärmepumpe stellt durch Entwärmung, d.h. durch Entzug von Wärme, des Wärmeträgermediums die benötigte Wärme dem Wärmespeicher zur Verfügung. Das Berieselungswasser 8 verlässt den nach unten offenen Solarkollektor 2 und gelangt über eine Drainage 18 wieder zurück in die Zisterne. Hat sich auf der Absorberfläche 4a Eis gebildet, so wird dieses, nach einer kurzzeitigen Erwärmung dieser Absorberfläche 4a durch das Wärmeträgermedium, gelöst und rutscht herunter. Durch Regenwasser 23, das durch eine wasserdurchlässige Abdeckung 22 ebenfalls auf die Drainage fließt, wird das Eis dort geschmolzen und als Wasser wieder der Zisterne zugeleitet. Durch einen allseitigen Frostschutz 21 wird verhindert, dass bei leichtem Frost das Berieselungswasser 8 durch die Umgebungsluft einfriert.
Die 2 zeigt einen mit Wärmedämmung 3 ausgekleideten Absorberrahmen 24, in dem sich die Absorberfläche 4 mit der Wasserzuführung für die Berieselung 7 befindet. Hier wird keine Sonnenwärme genutzt, sondern nur die Wärme des Wasservorrats. Dieser reine Absorber wird überall dort eingesetzt, wo stärkerer Frost das Rieselwasser einfrieren würde. Die Absorberrahmen 24 sollen wasserdicht sein und können deshalb vorteilhaft aus Profilglas gefertigt werden. Nach unten sind die Rahmen für den Wasseraustritt offen.
Die 3 stellt einen Sandwich-Kollektor 17 dar. Das ist eine Kombination aus einem üblichen Solarkollektor, mit nicht berieselbarer Absorberfläche 4b sowie unten geschlossen, und einem Absorber, mit berieselbarer Absorberfläche 4a sowie unten offen. Hierbei benötigt der Absorber an der Schnittstelle zum Solarkollektor, im Gegensatz zur 2, keine Wärmeisolierung, da sich diese bereits im Solarkollektor befindet. Beispielsweise kann bei dieser Kombination zum Sandwich-Kollektor 17 der Teil des Solarkollektors aus zwei Halbschalen von Profilglas gefertigt werden, an denen unten ein halber Absorberrahmen 24, ebenfalls aus Profilglas, angebracht ist.
In 4 ist eine komplette Anlage schematisch dargestellt. Der Solarkollektor 2 ist unten offen und seine Absorberfläche 4a ist berieselbar. Der Absorber wird innen von einem Glykol-Wasser-Gemisch durchflossen. Das Umschaltventil 19 leitet mittels der Förderpumpe 10a das kalte Wärmentzugs- Medium 5 durch den Absorber und das erwärmte Entzugsmedium 6 durch den Solarwärmetauscher mit Wärmeleitkörper 15. Der Wärmespeicher 14 wird dadurch solar erwärmt. Wird Wärme im Wärmespeicher benötigt, kann diese auch durch die Wärmepumpe 12 bereitgestellt werden. Dazu schaltet das Umschaltventil 19 um und leitet damit das kalte Wärmeentzugsmedium 5 vom Wärmetauscher 11 in den Absorber und das erwärmte Medium wieder zurück zum Wärmetauscher 11. Über den Wärmetauscher 13 leitet die Förderpumpe 10b das erwärmte Speicherwasser durch den Doppeltrichter zur thermischen Schichtung 16 in den Wärmespeicher 14, wo es sich oben einsortiert. Über die Wasserzuführung für Berieselung 7 leitet die Förderpumpe 10c in der Zisterne 9 zu entwärmendes Wasser in den Solarkollektor 2, das als Rieselwasser 8 diesen nach unten zur Drainage 18 verlässt. Bei Regen fließt das Regenwasser 23 über die äußere Oberfläche des Solarkollektors 2 ebenfalls in die Drainage 18. Diese Anordnung darf keinem Frost von außen ausgesetzt werden. Dieser würde zu einer Vereisung der Anlage führen. Hierfür ist die Anordnung nach 5 geeignet.
Die 5 stellt eine gegen äußeren Frost geschützte Anlage dar. Hier wird das kalte Wärmeentzugs-Medium 5 mittels der Förderpumpe 10a über ein Umschaltventil 20 einem Sandwich-Kollektor 17 entsprechend 3 zugeführt. Der obere Teil ist ein normaler und unten geschlossener Solarkollektor, der untere Teil ist ein berieselter und unten offener Absorber. Wenn die Sonnenwärme nicht ausreicht, dann schaltet das Ventil auf die berieselte Absorberfläche um. Die Berieselung des Absorbers aus einer Zisterne wie in 4 ist hier nicht dargestellt, die übrigen Elemente der 5 entsprechen den mit gleichen Bezugszeichen versehenen Elementen der 4.
In der 6 ist die direkte Nutzung des Kältemittels 25 der Wärmepumpe zum Wärmeentzug auf der Absorberseite dargestellt. Dadurch wird der Wärmetauscher vor der Wärmepumpe 2 eingespart. Die 7 zeigt die Möglichkeit, auch die Erwärmung des Wärmespeichers 14 durch das Kältemittel 25 direkt durchzuführen. In diesen beiden Fällen handelt es sich um Wärmepumpen-Splitanlagen. Diese erfordern zur Installation einen kältetechnischen Fachbetrieb. Der Vorteil besteht in einem höheren Wirkungsgrad einer solchen Anlage.

1: Dach beispielsweise eines Gartenhäuschens
2: Solarkollektor
3: Wärmedämmung
4a: Absorberfläche, mit Berieselung
4b: Absorberfläche, ohne Berieselung
5: kaltes Wärmeentzugs-Medium
6: erwärmtes Wärmeentzugs-Medium
7: Wasserzuführung für Berieselung
8: Rieselwasser und Eis
9: Wasserspeicher
10a: Förderpumpe für Wärmeträgermedium
10b: Förderpumpe Wärmepumpenkreis
10c: Förderpumpe für Rieselwasser
11: Wärmetauscher Kältemittel/Glykol-Wasser-Gemisch
12: Wärmepumpe
13: Wärmetauscher Kältemittel/Wasser
14: Wärmespeicher
15: Solarwärmetauscher mit Wärmeleitkörper
16: Doppeltrichter zur thermischen Schichtung des Wassers
17: Sandwich-Kollektor
18: Drainage
19: Umschaltventil
20: Umschaltventil
21: Frostschutz
22: wasserdurchlässige Abdeckung
23: Regenwasser
24: Absorberrahmen
25: Kältemittel

Claims

Anordnung zur Wärmegewinnung, welche besteht aus einem Kreislauf für ein Wärmeträgermedium, wobei der Kreislauf für das Wärmeträgermedium eine Wärmepumpe (12), einen Wärmespeicher (14), eine Förderpumpe (10a) für das Wärmeträgermedium und eine von dem Wärmeträgermedium durchströmte Absorberfläche (4a) eines Solarkollektors (2) umfasst, und einem Kreislauf für Rieselwasser (8), wobei der Kreislauf für da Rieselwasser (8) einen Wasserspeicher (9), eine Förderpumpe (10c) für das Rieselwasser (8) und eine Wasserzuführung (7) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberfläche (4a) von Rieselwasser (8) des Waserspeichers (9) berieselt werden kann, um dem Rieselwasser (8) des Wasserspeichers (9) bei fehlender Sonnenstrahlung Wärmeenergie zu entziehen.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberfläche (4a) im Freien außerhalb des Bereichs des Wasserspeichers (9) schräg mit der Unterkante oberhalb einer Grundfläche angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der Unterkante der Absorberfläche (4a) eine Drainage (18) mit einer Verbindung zum Wasserspeicher (9) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drainage (18) als Rinne ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Solarkollektor (2) als Sandwich-Kollektor (17) ausgeführt ist, wobei dieser zwei übereinander angeordnete Absorberflächen (4a, 4b) besitzt, von denen eine Absorberfläche (4a) berieselt werden kann.