DE102007036713A1

DE102007036713A1 - Solar-Hybridanlage mit Klimatisierungseffekt

Info

Publication number: DE102007036713A1
Application number: DE102007036713A
Authority: DE
Inventors: Michael Rasmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-10-24
Filing date: 2007-10-24
Publication date: 2009-04-30

Abstract

Solar-Hybridmodule, insbesondere für südliche Zonen, bei denen die Oberseite solarelektrische Elemente aufweist, sind auf solarthermischen Wärmeabsorbern montiert, deren Zirkulationstemperatur unter 40°C gehalten wird. Die Kühlung erhöht den Wirkungsgrad der solarelektrischen Zellen. Die Aufheizung auf Brauchwasser-Temperatur kann durch ein zuschaltbares, rein solarthermisches element oder durch Wärmepumpen erfolgen, die z. B. aus den photovoltaischen Elementen versorgt werden. Als Dacheinheit ausgebildet wird durch die Kühlung der Luftschichten unter dem Dach ein Klimatisierungseffekt für das ganze Haus bewirkt.

Description

Solar-Hybridmodule beinhalten einen solarelektrischen und einen solarthermischen Teil, wobei der Solarelektrische meist zum Betrieb von Zirkulationspumpen für die Solarthermie verwendet wird. Dies hat den Vorteil, dass, ohne komplizierte Regelung, die Umwälzgeschwindigkeit des Wärme-Übertragungsmediums der Einstrahlintensität der Sonne entspricht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die solarthermische Wärmetauscherfläche hinter die solarelektrische Wandlerfläche gelegt werden. Dies bedeutet zwar gegenüber geteilten Absorptionsflächen eine geringere Betriebstemperatur des solarthermischen Übertragungsmediums, erhöht aber den solarelektrischen Wirkungsgrad, der sonst mit steigender Zelltemepatur abnimmt.
Derartige Hybridmodule sind aus JP 19980147907 = JP11340495 und JP19800073848 = JP57001264 , sowie aus DE 203 14 635 , sowie hinsichtlich des Kühleffekts für die solarelektrischen Teil aus der DE 38 31 631 bekannt.
Es gibt daneben zahlreiche Versuche, Solarenergie, insbesondere in südlichen Regionen, auch zur Klimatisierung von Häusern einzusetzen. Bislang haben sich derartige Anlagen – insbesondere wirtschaftlich – weniger bewährt, weil die Wandlung der Solarwärne über Adsorbersysteme ebenso wie die Nutzung der elekrtrischen Solarenergie über Kompressoren zu geringe Wirkungsgrade bzw. Leistungen aufweist.
Es ist daher Aufgabe vorliegender Erfindung, die Gewinnung von Solarenergie mit einer wirkungsvollen Kühlung von Gebäuden in südlichen Zonen so zu verbinden, dass sich ein jeweils angemessener Ertrag der Funktionen Brauchwassererhitzung, Gewinnung elektrischer Energie und Kühlung des Hauses ergibt.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass Solar-Hybridelemente möglichst vollflächig, zumindestens auf der südlichen Dachfläche, angebracht werden und die Steuerung der Anlage so ausgelegt ist, dass die Temperatur des abgeführten Bauchwassers 40°C nicht überschreitet.
Damit arbeiten die solarelektrischen Zellen im optimalen Temperaturbereich und die Dach-Unterfläche, die bei direkter Einstrahlung häufig 60 bis 80°C erreicht, bleibt mit 40°C vergleichsweise kühl.
Der Gradient der herrschenden Luftttemperatur (zur vereinfachten Betrachtung hier in einstöckigen Häusern) weist aufsteigende Werte bis zur Obergrenze der Temperatur unter dem Dachfirst auf. Dabei ist die Steilheit des Gradienten von der Höhe des freien Luftraumes und dem herrschenden Temperaturgefälle abhängig.
Daher sinkt die Durchschnittstemperatur mit der Spitzentemperatur unter dem Dachfirst. Somit bewirkt eine Begrenzung der Maximaltemperatur auf der Dach-Unterseite einen deutlichen Klimatisierungseffekt, der die Anwendung einer Kompressor-Klimaanlage auch in tropischen Zonen meist erübrigt.
Die Steuerung der Anlage ist so ausgelegt, das das Hybridmodul neben dem frontseitigen solarelektrischen Bereich ein dahinter liegende solarthermische Wandlung aufweist, zusätzlich aber einen nicht mit solarlektrischen Zellen besezten Frontflächenanteil, der der unmittelbaren Erwärmung des Brauchwassers auf die genutzte Vorlauftemperatur dient.
Dieser Bereich kann auch als separates Brauchwassermodul ausgeführt werden, was den Vorteil hat, dass die Auslegung leichter auf eine anlagenspezifische Größe erfolgen kann.
Dazu sind Solar-Hybrid-Elemente und die nur das Brauchwasser aufheizenden Solareinheiten jeweils in Reihe geschaltet. Zunächst werden die Hybrid-Elemente mit dem Wasser des Vorlauf von unter 37°C durchströmt. Dadurch werden die Photovoltaikelemente gekühlt und arbeiten mit hohem Wirkungsgrad. Gleichzeitig wird die Dach-Unterseite gekühlt und dies bewirkt die Klimatisierung (oder Vor-Klimatisierung) des Hauses.
Das aufgeheizte Wasser wird sodann den solartehermischen Elementen zugeführt, die die Temparatur des durchströmenden Medius weiter anheben. Das Medium wird dann im benötigtem Umfang einem Wärmetauscher zur Aufheizung des Brauchwassers zugeführt. Nicht benötigte Überschusswäre wird in einen Swimmingpool und/oder in einen Luftkühler, der (ähnlich wie bei Klimaanlagen) vor der Außenmauer des Gebäudes angebracht ist, abgeleitet.
Dazu enthält die Anlage – neben dem solarelektrischen Betriebsteil mit Batteriesatz und Spannungswandler etc. – wie üblich einen isolierten Pufferspeicher mit Ableitmöglichkeiten zu einem Speicherbehäter für Brauchwasser und zur Heizungs-Unterstützung.
Das System wird nachfolgend in der Zeichnung 1 zusammenfassend dargestellt:
Bei entsprechender Sonneneinstrahlung 1 erfolgt durch den solarthermischen Teil 2 des Hybridmoduls 3 eine Aufheizung des ihn in der Leitung 4 durchlaufenden Mediums.
Bei Überschreiten von 37°C am Temperaturfühler 7 oder von 65°C am Temperaturfühler 11 wird die Solarpumpe 19 eingeschaltet.
Mit den Temperaturfühlern 11 und 13 erfolgt eine Messung der Temperaturdifferenz, wodurch die Duchflussmenge des Mediums mit dem Dreiwege-Ventil 5 im solarthermischen Element 12 so begrenzt wird, dass der Pufferspeicher 6 jeweils mit einer Zulauftemperatur beschickt wird, die 10°K über der Temperatur am Fühler 13 liegt.
Durch den Abgriff 15 wird mit einer Pumpe 25 über einen Wärmetauscher 26 der Brauchwasserspeicher im Haus erwärmt. Der Brauchwasserspeicher wird an den Anschlüssen 27 angeschlossen.
Über den Abgriff 16 vom Pufferspeicher 6 erfolgt die Heizungsunterstützung. Mit dem Thermofühler 14 wird die Temperatur zur Heizungsunterstützung im Speicherbehälter 6 gemessen und das Heizungswasser über den Anschluss zum Heizungsvorlauf 16 über einen Mischer 24 in das Haus abgegeben.
Abgriff 17 ist der gemeinsame Rücklauf der Warmwasserbereitung und der Heizungsunterstützung.
Mit dem Temperaturfühler 7 wird das wird das Dreiwege-Ventil 8 gesteuert. Das Dreiwege-Ventil 8 regelt die Innentemperatur vom Hybridmodul. Steigt die Tempertur des Durchlaufs am Sensor 7 soweit an, dass die Temperatur des Mediums nach Durchlauf des Hybridmoduls 3 über ca. 37°C beträgt, erfolgt eine Umschaltung über das Ventil 8. Das Medium durchfließt dann den Außenkühler 10. Ein Wärmetauscher 9 für eine Swimmingpool-Anlage kann vor den Außenkühler geschaltet werden.
2 zeigt den systematischen Aufbau des Hybridmoduls, wobei 20 die Glasabdeckung, 21 die Photovoltaikfläche und 22 den Wärmeabsorber mit dem es in der Leitung 23 durchlaufenden Mediums (hier nur Wasser) darstellen.
3 stellt eine Systemzeichnung des (entweder integrierten oder separaten) Brauchwassermoduls dar, wobei wiederum 20 die Glasabdeckung, 22 den Wärmeabsorber und 23 die ihn durchlaufenden Wasserrohre darstellen.
4 bis 6 stellt den Funktionsablauf der Steuerung dar, wobei die umringte 1 die Ausgangsposition markiert, 2 den Übergang zur Entnahme für Brauchwasser, 3 den Übergangspunkt der Zuschaltung des nachgeschalteten Brauchwassererhitzers und 4 bzw. 5 den Rücksprung in die Ausgangssituation.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 19980147907 [0003]
- JP 11340495 [0003]
- JP 19800073848 [0003]
- JP 57001264 [0003]
- DE 20314635 [0003]
- DE 3831631 [0003]

Claims

Solar-Hybridanlage mit auf Wärmekollektoren montierten photovoltaischen Elementen, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekollektoren sowohl zur Kühlung der Solarzellen, wie auch zur Kühlung des Unter-Dach-Bereichs von Häusern eingesetzt sind.
Solar-Hybridanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zirkulationstemperatur in den solarthermischen Wärmeabsorbern unter 40°C gehalten ist.
Solar-Hybridanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung der Modul-Unterseite bei Nutzung als Dachelement einen Klimatisierungseffekt für das Haus bewirkt, während die Solarthermische Energie zur Aufheizung des Brauchwassers im Haus Verwendung findet.
Solar-Hybridanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufheizung des Brauchwassers auf Nutztemperatur durch ein nachgeschaltetes solarthermisches Modul erfolgt.
Solar-Hybridanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufheizung des Brauchwassers auf Nutztemperatur durch eine Wärmepumpe erfolgt.
Solar-Hybridanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die solarthermische Leistung zunächst in einem Pufferspeicher zwischengespeichert wird, aus dem sie dann zur Nutzung als erhiztes Brauchwasser mit Hilfe eines Wärmetauschers entnommen wird.
Solar-Hybridanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufheizung des Brauchwassers auf Nutztemperatur zunächst durch Zuschaltung des Solarthermischen Moduls erfolgt.
Solar-Hybridanlage nach Anspruch 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufheizung des Brauchwassers auf erhöhte Nutztemperatur ergänzend durch eine Wärmepumpe erfolgt.
Solar-Hybridanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe vom Strom der solarelektrischen Elemente gespeist wird.
Solar-Hybridanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Überschusswärme über einen Wärmetauscher in einen Swimmingpool ageleitet wird
Solar-Hybridanlage nach Anspruch 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass Überschusswärme bei Überschreiten der im Swimmingpool gewünschten Temperatur in einen Wärmelufttauscher vor der Hausfassade abgeführt wird.
Solar-Hybridanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Anlage im Wesentlichen über zwei Drei-Wege-Ventile erfolgt.