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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Kollektor zur Aufnahme, Speicherung
und Abgabe von durch einfallende Sonnenstrahlen erzeugter Wärmeenergie
gemäß des Oberbegriffes von Patentanspruch 1 sowie
auf eine geophysikalische Temperaturaustausch-Vorrichtung zur Beheizung
eines Gebäudes gemäß des Oberbegriffes
von Patentanspruch 10.
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Aus
der
DE 60 2004
006 316 T2 ist ein Fensterladen mit einem eingebauten Luft-Sonnenenergieumwandler,
also einem Kollektor, zu entnehmen, durch den die einfallenden Sonnenstrahlen
im Inneren des Fensterladens gesammelt werden, um die Luft aufzuheizen,
die über Wärmeaustausch-Durchgangsöffnungen
nach außen abgeführt ist. Der Fensterladen wird
dabei von dem Energieträger Luft durchströmt.
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Als
nachteilig bei einer solchen Ausgestaltung eines Fensters hat sich
herausgestellt, dass die der Innenseite des Gebäudes zugewandte
Fläche zu isolieren ist, um einen Wärmefluss zwischen
dem Innenraum des Kollektors und der Innenseite des Gebäudes
zu verhindern. Derartige Isolierungen sind jedoch äußerst
kostenintensiv in ihrer Herstellung. Gegebenenfalls kann durch Erhöhung
der Luftzirkulationsgeschwindigkeit bei extremer Sonneneinstrahlung
und damit verbundener Temperaturerhöhungen, die durch die
Sonnenenergie erzeugte Wärme in einer möglichst
klein bemessenen Zeiteinheit abgeführt werden.
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Gleichwohl
weist der Fensterladen nach diesem Stand der Technik keine konstruktiven
Maßnahmen auf, durch die die einfallenden Sonnenstrahlen von
dem Durchtritt in das Innere des Gebäudes abgehalten sind.
Durch die einfallenden Sonnenstrahlen werden die im Inneren des
Gebäudes lebenden Menschen behindert und geblendet.
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Des
Weiteren sind seit einigen Jahren auf dem Markt angebotene geophysikalische
Temperaturaustausch-Vorrichtungen bekannt, durch die die Erdwärme
nutzbar gemacht ist. Mittels eines oder mehrerer Kreisläufe
werden dabei wasserführende Rohrleitungen in das Innere
des Erdreiches getrieben, um das aufgeheizte und in das Erdreich
einströmende Wasser, insbesondere während der
kalten Jahreszeiten zu Erwärmen und Aufzuheizen. Das derart
erwärmte und das Erdreich durch die Rohrleitung durchströmende
Wasser wird über einen Wärmetauscher mit einem
oder mehreren das Gebäude durchlaufenden Kreisläufen
derart thermodynamisch verbunden, dass ein Wärmeaustausch
ganz oder teilweise stattfindet, so dass das in den Rohrleitungen
des Gebäudekreislaufes durchströmende Wasser von
dem aus dem Erdreich entnommenen Wasser erwärmt wird. Es
ist dabei erforderlich, dass möglichst tiefe Bohrungen
durchgeführt werden, denn je tiefer eine solche Bohrung
verläuft, desto mehr Erdwärme kann von dem das
Erdreich durchströmende Wasser entnommen werden.
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Solche
Vorrichtungen haben sich zwar in der Praxis als Energiesparmaßnahme
bewährt, jedoch zeigen neueste Studien nunmehr, dass die
dem Erdreich entnommene Abwärme nicht unendlich zur Verfügung
steht, denn aufgrund der physikalisch herrschenden Abstrahlung wird
die dem Erdreich lokal entzogene Wärme aus anderen Schichten
zwar über einen gewissen Zeitraum nachgeführt,
jedoch ist dieser Zeitraum begrenzt bzw. die nachgeführte
Absorptionswärme des benachbarten Erdreiches steht lediglich
zeitlich begrenzt zur Verfügung.
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Dies
bedeutet, dass nach einer bestimmten Zeitperiode – erste
thermophysikalisch verschlechternde Effekte können bereits
nach einer Zeitspanne von fünf bis zehn Jahren festgestellt
werden – der Wirkungsgrad der gesamten geophysikalischen
Wärmeanlage sinkt, denn das das Erdreich durchströmende
Wasser wird weniger aufgeheizt, als dies bei der Inbetriebnahme
der geophysikalischen Wärmeaustausch-Anlage messbar gewesen
ist. Je größer jedoch der Temperaturunterschied
zwischen dem dem das Erdreich durchströmende und des des
Gebäude mit Wärme versorgende Wasser wird, desto weniger
energiesparend ist die gesamte geophysikalische Wärmeaustausch-Vorrichtung,
denn zur Beheizung des Gebäudes auf einen vorgegebenen Temperaturwert
ist zusätzliche Heizenergie notwendig.
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Der
Erfindung liegen nunmehr die Aufgaben zugrunde, einen Kollektor
sowie eine geophysikalische Temperaturaustausch-Vorrichtung der
eingangs genannten Gattungen zur Verfügung zu stellen, durch
die zum einen eine zuverlässige Lichtabschattung unter
Beibehaltung der optimalen Aufheizung der von den Sonnenenstrahlen
zur Verfügung gestellten Energiemengen liefert und zum
anderen, dass die derart gewonnene Energie während den warmen
Jahreszeiten dem Erdreich zu dessen Aufheizung zugeführt
ist, um während der kalten Jahreszeit eine Temperaturerhöhung
des das Erdreich durchströmenden Wassers zu erzielen und
gleichzeitig dadurch zu verhindern, dass das Erdreich auf dem das
Gebäude errichtet ist, während der langjährigen Betriebsdauer
der geophysikalischen Temperaturaustausch-Vorrichtung auskühlt
und der Wirkungsgrad einer solchen Vorrichtung reduziert ist.
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Diese
Aufgaben werden zum einen durch die Merkmale im kennzeichnenden
Teil des Patentanspruches 1 und zum anderen durch die Merkmale im kennzeichnenden
Teil des Patentanspruches 10 gelöst.
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Weitere
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
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Dadurch,
dass in dem Heizraum des Kollektors eine oder mehrere Blenden, die
drehbar in Bezug auf den Einfallswinkel der Sonnenstrahlen ausgerichtet
werden können, kann der Innenraum des Gebäudes
abgeschattet werden, so dass durch den Kollektor keine Sonnenstrahlen
in das Innere des Gebäudes gelangen. Somit wird die Lebensweise
der im Inneren des Gebäudes befindlichen Menschen, beispielweise
an einem Computerarbeitsplatz oder dgl., nicht beeinträchtigt;
auch kann durch die zusätzliche Isolierung des Kollektors
das Innere des Gebäudes gegenüber den einfallenden
Sonnenstrahlen abgeschattet und somit isoliert werden.
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Die
Winkelpositionen der Blenden im Inneren des Kollektors sind individuell
einstellbar, so dass exakt die Abschattung vorgenommen werden kann, die
für den jeweiligen Benutzer die meisten Vorteile bietet.
Die Bedienung der Blenden erfolgt mittels einer Steuerelektronik
die über einen Schalter ein- und ausschaltbar ist, um die
Blenden zu verdrehen.
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Darüber
hinaus liefert der derartig aufgebaute Kollektor, während
die Sonnenstrahlen in diesen einfallen, eine vorgegebene Wärmemenge,
die von Wasser als Energieträger aufgenommen und durch die
Rohrleitungen in das Innere von Erdreich oder eines Speichers transportiert
und abgeführt wird. Somit kann während der warmen
Jahreszeit ein Speicher oder das Erdreich mit zusätzlicher
Wärme versorgt werden und gleichzeitig wird der Kollektor
durch den Wasserkreislauf gekühlt, um, insbesondere im
Bereich von Dachschrägen und dort eingebauten Dachfenster,
eine optimale und energiesparende Isolierung bereitzustellen.
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Der
Speicher kann dabei in Form einer Betonplatte oder einer sonstigen
zur Aufnahme und Absorption von Wärme geeignetem Material
gefertigt sein, durch den die von dem Kollektor zur Verfügung gestellte
Abwärme über einen möglichst lang bemessen
Zeitraum gespeichert und von diesem gleichmäßig
abgestrahlt wird, um somit eine Erwärmung des Gebäudes,
das auf dem Speicher bzw. dem Erdreich aufgebaut ist, zu erreichen.
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Es
ist besonders vorteilhaft, eine Vielzahl von Bohrungen in das Erdreich
zu treiben, durch die die einzelnen Rohrleitungen des Kreislaufes,
der dem Erdreich zugeordnet ist, angeordnet sind. Denn dadurch ist
gewährleistet, dass die Bohrungstiefe maximal 10 bis 20
Meter beträgt und das Erdreich bzw. der Speicher, auf dem
das Gebäude aufgesetzt ist, möglichst gleichmäßig über
dessen gesamten Fläche während der Sonneneinstrahlungszeiten
aufgeheizt und somit erwärmt wird.
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Während
den kälteren Jahreszeiten kann dann das durch das Erdreich
oder die Betonplatte geführte Kreislaufsystem mehr Wärmeenergie
in diesem Bereich aufnehmen, als wenn das Erdreich bzw. der Speicher
während der Sonneneinstrahldauer in den Sommermonaten nicht
erwärmt worden wäre. Diese Maßnahme steigert
den gesamten energetischen Wirkungsgrad der geophysikalischen Temperaturaustausch-Vorrichtung,
denn die einfallende Sonnenenergie wird gespeichert und im Bedarfsfalle aufgenommen
und zur Erwärmung von in dem Gebäude eingebauten
Verbrauchern verwendet.
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In
der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
eines Kollektors sowie einer Temperaturaustausch-Vorrichtung dargestellt,
die nachfolgend erläutert sind. Im Einzelnen zeigt:
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1a eine
geophysikalische Temperaturaustausch-Vorrichtung in einem Gebäude,
die aus zwei Kreisläufen besteht, wobei der im Gebäude
angeordnete Kreislauf von einem Kollektor während der Sonneneinstrahlungsperioden
mit Wärme versorgt ist, im Querschnitt,
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1b die
Wärmeaustausch-Vorrichtung gemäß 1a in
Draufsicht,
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2a den
Kollektor gemäß 1a, im Schnitt
und
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2b den
Kollektor gemäß 2a in Draufsicht.
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Aus 1a kann
eine geophysikalische Temperaturaustausch-Vorrichtung 1 zur
Beheizung eines Gebäudes 2 entnommen werden. Das
Gebäude 2 ist dabei auf einer bestimmten Grundfläche,
die als Erdreich 3 bezeichnet ist, aufgebaut. In das Erdreich 3 sind
eine oder, wie dies insbesondere in der 1b dargestellt
ist, eine Vielzahl von Bohrungen 4 eingearbeitet, in die
eine oder mehrere Rohrleitungen 9 verlaufen, die einen
ersten Kühlkreislauf 5 bilden.
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Ein
zweiter Kreislauf 6 ist in dem Gebäude 2 untergebracht.
In diesem Kreislauf 6 sind drei Verbraucher 10 schematisch
dargestellt, durch die das Gebäude 2 aufgeheizt
wird oder durch die erwärmtes Wasser, beispielsweise an
einem Wasserhahn, einer Dusche oder dergleichen, zur Verfügung
gestellt wird. Die Verbraucher 10 können auch
als Heizkörper oder als Fußbodenheizung ausgestaltet
sein.
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Die
beiden Kreisläufe 5 und 6 sind gemeinsam
an einer Umwälzpumpe 12 und einem Wärmetauscher 13 angeschlossen.
Durch die Umwälzpumpe 12 wird das in den Rohrleitungen 9 eingeschlossene
Wasser als Energieträger derart in Strömung versetzt,
dass das Wasser in den Rohrleitungen 9 des ersten Kreislaufes 5 entgegen des
Uhrzeigersinnes und das Wasser in den Rohrleitungen 9 des zweiten
Kreislaufes 6 in Uhrzeigerrichtung oder vice versa bewegt
wird. Somit strömen die Wasserteile in dem Wärmetauscher 13 in
gleicher Richtung durch diesen hindurch, so dass eine möglichst
lange Zeitperiode gegeben ist, innerhalb der das abgekühlte Wasser
des zweiten Kreislaufes 6 von dem durch das Erdreich 3 geleitete
Wasser des ersten Kreislaufes 5 erwärmt werden
kann. Hierbei handelt es sich um eine übliche und bekannte
geophysikalische Temperaturaustausch-Vorrichtung 1.
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Um
nunmehr den thermodynamischen Wirkungsgrad der geophysikalischen
Temperaturaustausch-Vorrichtung 1 zu verbessern, ist in
dem Dach 7 des Gebäudes 2 ein Kollektor 11 eingebaut,
der in Richtung der einfallenden Sonnenstrahlen 24 ausgerichtet
ist. Derartige Kollektoren 11 können beispielsweise
auch in Wintergärten 8, die an dem Gebäude 2 angebracht
sind, vorgesehen sein.
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Die
Kollektoren 11 sind über die Rohrleitungen 9 mit
dem ersten Kreislauf 5 verbunden. Der Kollektor 11,
der in dem Wintergarten 8 eingebaut ist, weist einen mit
dem Buchstaben A gekennzeichneten Anschluss auf, der in die dem
ersten Kreislauf 5 zugeordnete Rohrleitung 9 einmündet.
Somit wird das das Erdreich 3 durchströmende Wasser
unmittelbar in den jeweiligen Kollektor 11 eingeleitet
und, wie dies den 2a und 2b entnommen
werden, in diesen, wie dies nachfolgend näher erläutert
ist, aufgeheizt. Das derart erwärmte Wasser aus dem Kollektor 11 wird
anschließend in die Rohrleitung 9 des ersten Kreislaufes 5 zurückgeführt,
um beim Durchströmen des Erdreiches 3 abgekühlt
zu werden, also um die aufgenommene Wärme aus dem Kollektor 11 an
das Erdreich 3 abzugeben.
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Zur
weiteren Verbesserung der Wärmeübertragung zwischen
dem Erdreich 3 und dem Gebäude 2 ist
eine Betonbodenplatte 20 vorgesehen, die als Aufnahmeelement
und folglich als Speicher der von dem ersten Kreislauf 5 abgestrahlten
Wärme dient. Wenn nämlich die Betonbodenplatte 20 bzw.
das Erdreich 3 während der Zeitperiode, durch
die die Kollektoren 11 zusätzliche Wärmeenergie
liefern, aufgeheizt wird, kann diese Wärme zumindest teilweise
in der Bodenplatte 20 bzw. dem Erdreich 3 gespeichert
werden, wodurch während der Jahreszeit, in der die Kollektoren 11 keine
ausreichende Wärmeenergie liefern, das Wasser in der Rohrleitung 9 des zweiten
Kreislaufes 6 durch die Vorrichtung 1 in üblicher
Weise erwärmt wird. Somit wird der thermodynamische Wirkungsgrad
der gesamten Temperaturaustausch-Vorrichtung 1 verbessert,
da das Erdreich 3 bzw. die Bodenplatte 20 zusätzliche
Wärmeenergie abstrahlt.
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Aus 1b ist
zu entnehmen, dass in die Grundfläche, auf der das Gebäude 2 aufgesetzt
ist, eine Vielzahl von Bohrungen 4 eingearbeitet sind, durch
die die Rohrleitung 9 mäanderförmig geführt wird.
Somit wird die Länge der Rohrleitung 9, die durch
das Erdreich 3 verläuft, erhöht, so dass
die Eindringtiefe der Rohrleitung 9 auf 10 bis 20 Meter
begrenzt werden kann. Des Weiteren wird die Grundfläche,
auf der das Gebäude 2 errichtet ist, gleichmäßig durch
die Rohrleitungen 9 durchdrungen, wodurch eine gleichmäßige
Wärmeabstrahlung in dem Volumen des Erdreiches 3 und
der Betonplatte 20 erfolgt, die mit der Rohrleitung 9 versehen
sind.
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Aus
den 2a und 2b kann
der konstruktive Aufbau und die technische Funktionsweise des Kollektors 11 entnommen
werden.
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Der
Kollektor 11 besteht aus einem Rahmengestell 14,
durch den eine erste Glasscheibe 15 und eine zweite Glasscheibe 16 beanstandet
und parallel zueinander verlaufend fixiert sind. Somit bildet das Rahmengestell 14 zusammen
mit der ersten und zweiten Glasscheibe 15 und 16 einen
nach außen geschlossenen Heizraum 17. Die nach
außen weisende Glasscheibe 15 ist dabei derart
ausgestaltet, dass die auf diese einfallenden Sonnenstrahlen 24 nicht
reflektiert, sondern vielmehr in das Innere des Heizraumes 17 gelangen
und die auf diese einwirkenden Lasten, beispielsweise Schnee, Hagel, Schlagregen
oder dergleichen, werden zuverlässig abgestützt,
ohne dass dadurch die Glasscheibe 15 zerstört
ist. Die zweite Glasscheibe 16 ist als Isolierglasscheibe
ausgebildet, um die Innenseite des Gebäudes 2 möglichst
optimal thermodynamisch gegen die einfallenden Sonnenstrahlen 24 zu
isolieren.
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Durch
die einfallenden Sonnenstrahlen 24 wird demnach die in
dem Heizraum 17 eingeschlossene Luft erwärmt.
Um nunmehr die derart entstehende Temperaturerhöhung zwischen
der Außenseite bzw. der Innenseite des Gebäudes 2 und
dem Heizraum 17 aus diesem abzuführen, sind sechs Rohrleitungen 9 in
dem Heizraum 17 eingebaut, die diesen über dessen
gesamte Länge durchgreifen. Die sechs Rohrleitungen 9 verlaufen
dabei parallel und beabstandet zueinander.
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An
dem Außenumfang der jeweiligen Rohrleitung 9 sind
Lager 23 vorgesehen, durch die jeweils eine Blende 21 über
die gesamte im Inneren des Heizraumes 17 verlaufende Länge
der Rohrleitungen 9 drehbar arretiert sind. Die jeweilige
Blende 21 ist somit gegenüber der Rohrleitung 9 verschwenkbar. Der
Abstand von zwei benachbarten Rohrleitungen 9 entspricht
einem Flügel der Blende 21, so dass sich die Blenden 21,
wenn diese zueinander fluchtend ausgerichtet sind nicht berühren.
Folglich kann jede Blende 21 individuell verschwenkt werden.
Der Abstand zwischen den beiden Glasscheiben 15 und 16 kann
dabei derart groß bemessen sein, dass die Blenden 21 um
360° gedreht werden können, ohne durch die Glasscheiben 15 und 16 in
ihrer Drehbewegung behindert zu sein.
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Die
Blenden 21 dienen dazu die Innenseite des Gebäudes 2 vor
den einfallenden Sonnenstrahlen 24 gegebenenfalls abzuschatten,
wenn dies von den in dem Gebäude 2 lebenden Benutzern
gewünscht ist. Des Weiteren kann durch die Stellung der
jeweiligen Blenden 21 eine Wärmeisolierung gegenüber
den einfallenden Sonnenstrahlen 24 für die Innenseite
des Gebäudes 2 erreicht werden.
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An
den Rohrleitungen 9 können auch Lamellen oder ähnliche
der Abschattung dienenden Bauteile angebracht sein. Die Drehung
der jeweiligen Blende 21 erfolgt über eine Steuerelektronik 22 und
einem Schalter 25, durch den individuell jede Blende 21 angesteuert
werden kann.
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Um
die Wasserführungen in den Rohrleitungen 9 zu
vereinfachen, sind in jeder der beiden Stirnseiten des Rahmengestelles 14 eine
Wassersammelkammer 18 bzw. 19 vorgesehen, in die
zunächst die dem zweiten Kreislauf 6 zugeordnete
Rohrleitung 9 einmünden und somit das in dieser
vorhandene Wasser in die Wassersammelkammer 18 auf der
Eingangsseite einfließt. Durch diese wird das Wasser den
sechs dem Heizraum 17 zugeordneten Rohrleitungen 9 zugeführt
und durchströmt dieses in Richtung der ausgangsseitig vorgesehenen
Wassersammelkammer 19. Das aus der Wassersammelkammer 19 ausströmende
Wasser ist somit erwärmt, denn in dem Heizraum 17 wird
die dort vorhandene Luft erwärmt und das die Rohrleitungen 9 durchströmende Wasser
wird durch diese erwärmt und führt folglich diese
Wärmeenergie nach außen ab.
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Wenn
nunmehr die Sonneneinstrahlung einen derart hohen Erwärmungsgrad
des Heizraumes 17 erreicht, kann durch die Strömungsgeschwindigkeit
des Wassers innerhalb der Rohrleitungen 9 diese zusätzliche
Wärmeenergie abgeführt werden, so dass auf einfache
und schnelle Art und Weise eine Isolierung der Innenseite des Gebäudes 2 erreicht werden
kann.
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Es
ist besonders vorteilhaft, wenn die den einfallenden Sonnenstrahlen 24 zugewandte
Oberfläche der Blende 21 mit einem Material beschichtet ist,
das die von den Sonnenstrahlen 24 abgegebene Wärmeenergie
optimal aufnimmt und somit die Blende 21 aufgeheizt wird.
Es hat sich herausgestellt, dass hierfür schwarze Farbe
besonders geeignet ist, um die Wärmeabsorption optimal
zu ermöglichen.
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Die
dem Innenraum des Gebäudes 2 zugewandte Oberfläche
der Blende 21 kann mit einem weißen Farbstoff
beschichtet werden, um eine möglichst helle und lichtreflektierende
Oberfläche zu schaffen. Wenn demnach die Blende 21 vollständig geschlossen
ist, werden die Wärmeenergien, die von den Sonnenstrahlen 24 abgegeben
werden, durch die Blende 21 optimal absorbiert und an die
Rohrleitungen 9 weitergegeben. Die Blende 21 ist
aus einem metallischen Werkstoff gefertigt, so dass ein Wärmeübergang
von einem metallischen zu einem anderen metallischen Bauteil erfolgt.
Derartige Wärmeübergangskoeffizienten sind besonders
geeignet, um die Wärmeenergie von den Blenden 21 an
die Rohrleitungen 9 zu bewerkstelligen. Folglich wird die
von den Sonnenstrahlen 24 abgegebene Wärmeenergie von
den Blenden 21 aufgenommen und an die Rohrleitungen 9 und
damit an das diese durchströmende Wasser als Energieträger übertragen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 602004006316
T2 [0002]