DE102022105412A1

DE102022105412A1 - Solar thermal collector

Info

Publication number: DE102022105412A1
Application number: DE102022105412.8A
Authority: DE
Inventors: Axel D. Lorenz; Stefan Taig; Rainer Taig
Original assignee: Wertwin GmbH
Current assignee: Wertwin GmbH
Priority date: 2022-01-26
Filing date: 2022-03-08
Publication date: 2023-08-31

Abstract

Die Erfindung betrifft einen solarthermischen Kollektor zum Erwärmen eines fluiden Mediums sowohl durch Absorption von solarer Energie als auch durch Wärmeaustausch mit Umgebungsluft, bestehend aus einem Gehäuse mit einer strahlungsdurchlässigen, oberen Abdeckung und einem Gehäuseboden sowie einem, vom fluiden Medium durchströmten, unterhalb der Abdeckung angeordneten Hochtemperatur-Solarabsorber, welche in einen ersten Wärmeträgerkreislauf einbindbar ist. Erfindungsgemäß ist der Gehäuseboden als Rückseite eines konvektiven Niedertemperatur-Wärmetauschers ausgebildet, wobei zwischen dem Solarabsorber und dem Niedertemperatur-Wärmetauscher unter Bildung einer Sandwichstruktur eine Trennfläche vorgesehen ist. Das Gehäuse ist gegenüber der Umgebungsluft allseitig geschlossen.The invention relates to a solar thermal collector for heating a fluid medium both by absorbing solar energy and by exchanging heat with ambient air, consisting of a housing with a radiation-permeable upper cover and a housing base and a high-temperature element arranged below the cover through which the fluid medium flows -Solar absorber, which can be integrated into a first heat transfer circuit. According to the invention, the housing base is designed as the rear side of a convective low-temperature heat exchanger, with a separating surface being provided between the solar absorber and the low-temperature heat exchanger, forming a sandwich structure. The housing is closed on all sides against the ambient air.

Description

Die Erfindung betrifft einen solarthermischen Kollektor zum Erwärmen eines fluiden Mediums sowohl durch Absorption von solarer Energie als auch durch Wärmetausch mit Umgebungsluft, bestehend aus einem Gehäuse mit einer strahlungsdurchlässigen oberen Abdeckung und einem Gehäuseboden sowie einem, vom fluiden Medium durchströmten, unterhalb der Abdeckung angeordneten Hochtemperatur-Solarabsorber, welcher in einen ersten Wärmeträgerkreislauf einbindbar ist gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a solar thermal collector for heating a fluid medium both by absorbing solar energy and by exchanging heat with ambient air, consisting of a housing with a radiation-transmissive upper cover and a housing base and a high-temperature Solar absorber which can be integrated into a first heat carrier circuit according to the preamble of claim 1.

Aus dem deutschen Gebrauchsmuster DE 20 2006 016 294 U1 und der EP 1 914 488 B1 ist ein Solarkollektor mit kombiniertem Luft-Wärme-Entzug vorbekannt.From the German utility model DE 20 2006 016 294 U1 and the EP 1 914 488 B1 a solar collector with combined air-heat extraction is already known.

Der dort offenbarte Solarkollektor dient dem Erwärmen von Flüssigkeit, indem die Flüssigkeit sowohl durch Absorption von Solarstrahlung erwärmt werden kann als auch alternativ oder kombiniert durch den Wärmeaustausch mit Umgebungsluft.The solar collector disclosed there serves to heat liquid, in that the liquid can be heated both by absorbing solar radiation and, alternatively or in combination, by exchanging heat with ambient air.

Der Solarkollektor weist ein Gehäuse sowie einen von der zu erwärmenden Flüssigkeit durchströmten Absorber/Luftwärmetauscher auf, wobei das Gehäuse auf der zur Sonne gewandten Seite mit einer transparenten Abdeckung versehen ist. The solar collector has a housing and an absorber/air heat exchanger through which the liquid to be heated flows, the housing being provided with a transparent cover on the side facing the sun.

Der Kollektor besitzt zwei Öffnungen für den direkten Luftein- und -austritt aus bzw. in die Umgebungsluft.The collector has two openings for direct air inlet and outlet from and into the ambient air.

Die Luft wird U-förmig in dem Kollektor gelenkt und sowohl beim Aufwärts- als auch beim Abwärtsströmen indirekt in Wärmeaustausch mit einem Absorberblech gebracht, welches auf der Unterseite mit einer vergrößerten Oberfläche ausgestaltet ist.The air is channeled in a U-shape in the collector and, when flowing both upwards and downwards, is indirectly brought into heat exchange with an absorber sheet, which is designed with an enlarged surface on the underside.

Die erwähnten Öffnungen sind im unteren Bereich des Kollektors angeordnet. Weiterhin ist in dem Kollektor ein Ventilator integriert, der bei Anwendung als Luft-Sole-Wärmetauscher Luft durch den Kollektor führt.The openings mentioned are located in the lower area of the collector. Furthermore, a fan is integrated in the collector, which, when used as an air-brine heat exchanger, guides air through the collector.

Bei einem derartigen Kollektor gelingt es zwar, thermische Energie aus der Umgebungsluft nutzbar zu machen, jedoch führt die Luftströmung hinein in einen diesbezüglich mit Öffnungen versehenen Kollektor zu unvermeidbaren Verschmutzungen und einer, sich über die Zeit einstellenden reduzierten Effektivität, d.h., es sinkt der Wirkungsgrad eines derartig ausgeführten Solarkollektors.With such a collector, it is possible to make thermal energy from the ambient air usable, but the air flow into a collector provided with openings for this purpose leads to unavoidable contamination and a reduced effectiveness that sets in over time, i.e. the efficiency of a such executed solar collector.

Bekannt ist weiterhin eine Heizanlage zur Versorgung eines oder mehrerer Wärmeverbraucher mit zumindest einer Wärmequelle variabler Leistung gemäß DE 101 02 041 C2 . Als Wärmequellen werden beispielsweise Solarkollektoren aber auch Erdspeicher aufgezeigt. Zudem wird offenbart, dass beim Einsatz von zwei Wärmequellen diese gleichzeitig, jedoch auch getrennt voneinander bei ein und demselben Verbraucher genutzt werden können. Diesbezüglich sind getrennte Verbindungen zwischen den Wärmequellen und dem jeweiligen Verbraucher vorhanden.Also known is a heating system for supplying one or more heat consumers with at least one heat source of variable output DE 101 02 041 C2 . Solar collectors, for example, but also underground storage tanks are shown as heat sources. In addition, it is disclosed that when two heat sources are used, they can be used simultaneously, but also separately from one another for one and the same consumer. In this regard, there are separate connections between the heat sources and the respective consumer.

Grundsätzlich sind bekannte Solarthermie-Kollektoren so ausgelegt, dass die solare Strahlung zu einer möglichst großen Ausbeute an nutzbarer Wärme hoher Temperatur führt.In principle, known solar thermal collectors are designed in such a way that the solar radiation leads to the greatest possible yield of usable heat at a high temperature.

Eine entsprechende Pumpe eines diesbezüglichen Wärmeträgerkreislaufes ist zwischen Kollektor und Wärmespeicher des Heizungssystems angeordnet und wird nur solange aktiv, wie die Temperatur des Wärmeträgers höher als die Speichertemperatur einer Gebäudeheizung oder eines Behälters zur Warmwasseraufbereitung ist. Die Jahresarbeitszeit ist daher oftmals nur gering.A corresponding pump of a relevant heat transfer circuit is arranged between the collector and the heat accumulator of the heating system and is only active as long as the temperature of the heat transfer medium is higher than the storage temperature of a building heating system or a tank for hot water treatment. The annual working time is therefore often only short.

Bei weiteren Anwendungsfällen kommt es nicht auf eine besonders hohe Temperatur an, wie beispielsweise bei Schwimmbad- oder Poolheizungen. Diesbezüglich kommen preiswertere Solarkollektoren zum Einsatz.In other applications, a particularly high temperature is not important, such as swimming pool or pool heating. In this regard, cheaper solar collectors are used.

Um den vorstehend geschilderten Anwendungsfällen gerecht zu werden, existieren Solarkollektoren, bei denen dem eigentlichen Solarabsorber ein Wärmeübertrager im Inneren des Kollektors nachgeschaltet ist, der auf konvektiven Wege die Wärmeübertragungsleistung erhöht. Wie beim eingangs geschilderten Stand der Technik vorgeschlagen, ist es dabei zweckmäßig, einen Ventilator vorzusehen, um einen derartigen Kollektor mit ausreichender Niedertemperaturwärme zu versorgen.In order to do justice to the applications described above, there are solar collectors in which the actual solar absorber is followed by a heat exchanger inside the collector, which increases the heat transfer capacity by convective means. As suggested in the prior art described at the outset, it is expedient to provide a fan in order to supply such a collector with sufficient low-temperature heat.

Den bekannten Solarthermie Kollektoren ist der Nachteil inne, dass bezüglich der überwiegenden Anwendung zur Heizungsunterstützung nur ein geringer Teil der durch die Sonne verfügbaren regenerativen Energie genutzt wird. Bei den Solarkollektoren mit zusätzlichem konvektiven Wärmeübertrager, wie beispielsweise in der EP 1 914 488 B1 offenbart, besteht zwar die Möglichkeit einer vergrößerten Wärmelieferung, nicht jedoch in Bezug auf die unmittelbare Heizungsanwendung, da die Wärmeträgertemperatur nicht hoch genug ist, um unmittelbar eine Beheizung zu ermöglichen.The known solar thermal collectors have the disadvantage that, with regard to the predominant application for heating support, only a small part of the regenerative energy available from the sun is used. In the solar collectors with additional convective heat exchanger, such as in the EP 1 914 488 B1 disclosed, although there is the possibility of increased heat supply, but not in relation to the direct heating application, since the heat transfer medium temperature is not high enough to allow direct heating.

Bei einem Hintereinanderschalten eines Solarabsorbers und eines Konvektions-Wärmeübertragers ist bei starker Sonneneinstrahlung sogar der Nachteil gegeben, dass die Umgebungsluft die Wärmeträgerflüssigkeit wieder abkühlt.If a solar absorber and a convection heat exchanger are connected in series, there is even the disadvantage that the ambient air cools the heat transfer fluid again in strong sunlight.

Der Einsatz von Ventilatoren zur Einbringung von Niedertemperatur-Wärmeenergie aus der Umgebung ist unter der hierbei entstehenden Geräuschemission problematisch, da eine derartige Zwangsbelüftung der Kollektoren überwiegend nachts erforderlich wird, wenn insofern strengere Richtlinien gelten.The use of fans to bring in low-temperature thermal energy from the environment is problematic given the resulting noise emissions, since such forced ventilation of the collectors is mainly required at night, when stricter guidelines apply in this respect.

Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, einen weiterentwickelten solarthermischen Kollektor zum Erwärmen eines fluiden Mediums sowohl durch Absorption von solarer Energie als auch durch Wärmeaustausch mit der Umgebungsluft anzugeben, welcher zum einen über einen kostengünstigen, herstellungsseitig leicht umzusetzenden Aufbau verfügt und der es gestattet, ohne Zwangsbelüftung in ausreichendem Maße thermische Energie aus der Umgebungsluft zu gewinnen.From the above, it is therefore the object of the invention to specify a further developed solar thermal collector for heating a fluid medium both by absorbing solar energy and by exchanging heat with the ambient air, which on the one hand has a cost-effective structure that is easy to implement on the production side and which allows it to gain sufficient thermal energy from the ambient air without forced ventilation.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch einen solarthermischen Kollektor gemäß der Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.The object of the invention is achieved by a solar thermal collector according to the combination of features according to patent claim 1, the subclaims comprising at least expedient refinements and developments.

Es wird demnach von einem solarthermischen Kollektor zum Erwärmen eines fluiden Mediums sowohl durch Absorption von solarer Energie als auch durch Wärmeaustausch mit der Umgebungsluft ausgegangen. Der solarthermische Kollektor besteht aus einem, üblicherweise metallischem Gehäuse mit einer strahlungsdurchlässigen oberen Abdeckung, z.B. aus einem Sicherheitsglas und einem Gehäuseboden sowie einem, vom fluiden Medium durchströmten, unterhalb der Abdeckung angeordneten Hochtemperatur-Solarabsorber, welcher in einen ersten Wärmeträgerkreislauf einbindbar ist.Accordingly, it is assumed that a solar thermal collector is used to heat a fluid medium both by absorbing solar energy and by exchanging heat with the ambient air. The solar thermal collector consists of a usually metallic housing with a radiation-permeable upper cover, e.g. made of safety glass and a housing base as well as a high-temperature solar absorber, through which the fluid medium flows, which is arranged below the cover and can be integrated into a first heat transfer circuit.

Bezüglich des Hochtemperatur-Solarabsorbers kann auf bekannte, markenübliche Konstruktionen und Ausführungsformen zurückgegriffen werden.With regard to the high-temperature solar absorber, known, customary brand constructions and embodiments can be used.

Erfindungsgemäß ist der Gehäuseboden des solarthermischen Kollektors als Rückseite eines konvektiven Niedertemperatur-Wärmetauschers ausgebildet und es ist dieser in einem zweiten Wärmeträgerkreislauf einbindbar.According to the invention, the bottom of the housing of the solar thermal collector is designed as the back of a convective low-temperature heat exchanger and this can be integrated into a second heat transfer circuit.

Zwischen dem Hochtemperatur-Solarabsorber und dem mindestens einen Niedertemperatur-Wärmetauscher ist unter Bildung einer Sandwichstruktur eine Trennfläche vorgesehen.A separating surface is provided between the high-temperature solar absorber and the at least one low-temperature heat exchanger, forming a sandwich structure.

Weiterhin ist das Gehäuse gegenüber der Umgebungsluft allseitig geschlossen.Furthermore, the housing is closed on all sides with respect to the ambient air.

In einer erfindungsgemäßen Ausbildung ist der Hochtemperatur-Solarabsorber wärmeisoliert gegenüber dem Gehäuse ausgeführt bzw. angeordnet.In an embodiment according to the invention, the high-temperature solar absorber is designed or arranged to be heat-insulated relative to the housing.

Die Trennfläche wie vorerwähnt ist zur Reduzierung eines Wärmeaustauschs zwischen dem Hochtemperatur-Solarabsorber und dem mindestens einen Niedertemperatur-Wärmetauscher strahlungsreflektierend ausgebildet.The separating surface, as mentioned above, is designed to be radiation-reflecting in order to reduce heat exchange between the high-temperature solar absorber and the at least one low-temperature heat exchanger.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Gehäuse und der Gehäuseboden aus einem gut wärmeleitenden Material, sodass auch thermische Energie aus der Umgebungsluft über das Gehäuse und den Gehäuseboden aufgenommen werden kann.In a preferred embodiment, the housing and the housing base consist of a material with good thermal conductivity, so that thermal energy from the ambient air can also be absorbed via the housing and the housing base.

Das Gehäuse und/oder der Gehäuseboden ist mindestens außenseitig des Kollektors mit einer Oberfläche vergrößernden Strukturierung versehen, welche zu einer energetischen Optimierung und Verbesserung des Wirkungsgrades des Kollektors führt.At least on the outside of the collector, the housing and/or the bottom of the housing is provided with a surface-enlarging structure, which leads to energy optimization and an improvement in the efficiency of the collector.

In weiterer erfindungsgemäßer Ausbildung ist der Gehäuseboden mindestens als Teil einer Wanne eines konvektiven Niedertemperatur-Wärmetauschers ausgeführt.In a further embodiment according to the invention, the housing base is designed at least as part of a trough of a convective low-temperature heat exchanger.

Die zur Trennfläche weisende Oberflächenseite des Hochtemperatur-Solarabsorbers besitzt einen reduzierten Emissionsgrad, sodass eine Übertragung thermischer Energie in Richtung des Niedertemperatur-Wärmetauschers verringerbar ist.The surface side of the high-temperature solar absorber that faces the separating surface has a reduced degree of emission, so that a transfer of thermal energy in the direction of the low-temperature heat exchanger can be reduced.

An der Unterseite der entsprechenden Kollektoren, in Richtung Gehäuseboden, können Strömungsleiteinrichtungen vorgesehen sein, sodass der Wärmeaustausch mit der Umgebungsluft nochmals verbessert und intensivierbar ist.Flow guide devices can be provided on the underside of the corresponding collectors, in the direction of the bottom of the housing, so that the heat exchange with the ambient air can be further improved and intensified.

Der erste und der zweite Wärmeträgerkreislauf sind an sich hydraulisch getrennt. Es besteht jedoch die Möglichkeit eines wahlweisen Zusammenschaltens dieser Kreisläufe.The first and the second heat carrier circuit are hydraulically separated per se. However, there is the possibility of selectively interconnecting these circuits.

Weiterhin sind am Gehäuse und/oder Gehäuseboden Mittel zur wärmeleitenden Verbindung zu Solarkollektorbefestigungen angeordnet.Furthermore, means for the thermally conductive connection to solar collector attachments are arranged on the housing and/or the bottom of the housing.

Da derartige Solarkollektorbefestigungssysteme üblicherweise auch aus einem gut wärmeleitenden, metallischen Material bestehen, können diese Bestandteile in die Gewinnung von Niedertemperatur-Energie aus der Umgebungsluft eingebunden werden.Since such solar collector fastening systems usually also consist of a metal material with good thermal conductivity, these components can be integrated into the generation of low-temperature energy from the ambient air.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles sowie einer Figur näher beschrieben werden.The invention will be described in more detail below using an exemplary embodiment and a figure.

Die Figur zeigt hierbei eine teilgebrochene, perspektivische Ansicht eines beispielhaften solarthermischen Kollektors von oben mit deutlich erkennbarem SandwichAufbau.The figure shows a partially broken, perspective view of an exemplary solar thermal collector from above with a clearly recognizable sandwich structure.

Ausgehend von einer Abdeckung 1 des Kollektors, die beispielsweise aus einem Sicherheitsglas besteht, ist unterhalb der Abdeckung 1 ein Hochtemperatur-Solarabsorber 2 zur Aufnahme solarer Strahlungswärme befindlich.Starting from a cover 1 of the collector, which consists, for example, of safety glass, a high-temperature solar absorber 2 for absorbing solar radiation heat is located below the cover 1.

Unterhalb des Solarabsorbers 2 befindet sich eine Trennfläche, hier ausgebildet als Blech 3 zwischen dem Solarabsorber 2 einerseits und einem Niedertemperatur-Wärmeübertrager 4, der als Konvektions-Wärmeübertrager ausgeführt ist und sowohl einerseits der Aufnahme von Wärmeenergie, die sich als Verlust des Solarabsorbers darstellt und andererseits von Energie aus der Umgebung dient.Below the solar absorber 2 there is a separating surface, here designed as a metal sheet 3 between the solar absorber 2 on the one hand and a low-temperature heat exchanger 4, which is designed as a convection heat exchanger and both on the one hand the absorption of thermal energy, which is represented as a loss of the solar absorber, and on the other hand of energy from the environment.

Das Kollektorgehäuse 9 besteht aus bevorzugt metallischen Seitenwänden und ist mit Ausnahme von Zu- und Abläufen 5; 6 sowie 7; 8 und gegebenenfalls einem Druckausgleichsmittel geschlossen ausgeführt.The collector housing 9 consists of preferably metallic side walls and is with the exception of inlets and outlets 5; 6 and 7; 8 and, if necessary, a pressure equalization means are closed.

Der Boden des Gehäuses bildet gleichzeitig einen Kollektorboden des Niedertemperatur-Wärmeübertragers 4.The bottom of the housing also forms a collector bottom of the low-temperature heat exchanger 4.

Der Zulauf des Hochtemperatur-Wärmeträger-Kreislaufes für eine Hochtemperatur-Wärmelieferung des Solarabsorbers 2 ist mit dem Bezugszeichen 5 versehen.The inlet of the high-temperature heat transfer circuit for high-temperature heat supply from the solar absorber 2 is provided with the reference number 5 .

Der Zulauf des Niedertemperatur-Wärmeträger-Kreislaufes für eine Niedertemperatur-Wärmelieferung, d.h. für Umgebungs- oder Luftwärme ist mit dem Bezugszeichen 6 gekennzeichnet.The inlet of the low-temperature heat transfer circuit for low-temperature heat supply, i.e. for ambient or air heat, is identified by reference number 6.

Am Gehäuse ist weiterhin ein Hochtemperaturablauf 7, z.B. in einen Heizkreislauf bzw. einen Schichtenspeicher ausgebildet.A high-temperature drain 7, e.g. into a heating circuit or a stratified storage tank, is also provided on the housing.

Ein Niedertemperaturablauf 8 führt zu einem nicht gezeigten Temperaturspeicher, der z.B. als Wärmequelle für eine Wärmepumpe dient.A low-temperature outlet 8 leads to a temperature accumulator, not shown, which serves, for example, as a heat source for a heat pump.

Wie aus der prinzipiellen Darstellung gemäß der Figur ersichtlich, besteht der solarthermische Kollektor gemäß der Erfindung aus zwei Kollektoren mit zwei intern hydraulisch getrennten Wärmeträger-Kreisläufen für unterschiedliche Gebäudeheizsysteme.As can be seen from the basic representation according to the figure, the solar thermal collector according to the invention consists of two collectors with two internally hydraulically separate heat transfer circuits for different building heating systems.

Zum einen ist der erwähnte Solarabsorber 2 vorhanden, der aus der der Sonne zugewandten Seite des Kollektorgehäuses 9 in bekannter Weise als Hochtemperatur-Wärmeübertrager ausgeführt ist und von einer Abdeckung 1 vor Umwelteinflüssen geschützt wird.On the one hand, there is the solar absorber 2 mentioned, which is designed in a known manner as a high-temperature heat exchanger on the side of the collector housing 9 facing the sun and is protected from environmental influences by a cover 1 .

Der weitere, konvektive Niedertemperatur-Wärmetauscher 4 befindet sich auf der der Sonne abgewandten Seite. Die Flächengröße zwischen dem Hochtemperatur-Solarabsorber 2 und dem Niedertemperatur-Wärmetauscher 4 ist im Wesentlichen gleich.The further, convective low-temperature heat exchanger 4 is located on the side facing away from the sun. The surface area between the high-temperature solar absorber 2 and the low-temperature heat exchanger 4 is essentially the same.

Von besonderen konstruktivem und herstellungsseitigem Vorteil stellt sich die Tatsache dar, dass der Boden des Gehäuses 9 gleichzeitig die Rückwand des Niedertemperatur-Wärmetauschers 4 bildet. Dies verbessert die Wärmeaufnahme auf konvektiven Weg im Hinblick auf die Umgebungsluft aber auch unter Beachtung von Transmissionswärme des darüber angeordneten Solarabsorbers 2, und zwar durch Wärmeleitung im Gehäuse und durch nicht ganz vermeidbare Strahlungsaustauschwärme innerhalb des Solarkollektors, und zwar entsprechend der jeweiligen Temperaturdifferenz und den Wärmeübertragungsbedingungen innerhalb des Gehäuses, und zwar insbesondere bei sehr hoher Solarstrahlungsintensität.The fact that the base of the housing 9 simultaneously forms the rear wall of the low-temperature heat exchanger 4 is of particular advantage in terms of construction and production. This improves the heat absorption in a convective way with regard to the ambient air but also taking into account the transmission heat of the solar absorber 2 arranged above it, namely through heat conduction in the housing and through not entirely avoidable radiation exchange heat within the solar collector, depending on the respective temperature difference and the heat transfer conditions inside of the housing, especially at very high solar radiation intensity.

Als wärmeaufnehmende Fläche für die Niedertemperatur-Wärme neben dem eigentlichen Gehäuse 9 des Kollektors dient auch das in der Figur nicht dargestellte Befestigungssystem des Kollektors, sodass die Gewinnung von regenerativer Wärme unterstützt wird.In addition to the actual housing 9 of the collector, the fastening system of the collector (not shown in the figure) also serves as a heat-absorbing surface for the low-temperature heat, so that the generation of regenerative heat is supported.

Bei geringer bzw. ohne Einwirkung solarer Wärmestrahlung nimmt der Solarabsorber 2 auf der der Sonne zugewandten Seite ebenfalls konvektive Wärme aus der Umgebungsluft auf, die gemeinsam mit der Wärmelieferung des Rückwand-Wärmeübertragers der Nutzung, z.B. als Wärmequelle einer Wärmepumpe zuführbar ist.With little or no exposure to solar thermal radiation, the solar absorber 2 also absorbs convective heat from the ambient air on the side facing the sun, which can be used together with the heat supplied by the rear wall heat exchanger, e.g. as a heat source for a heat pump.

Die beiden hydraulisch getrennten Kreisläufe, welche mit der gleichen Wärmeträgerflüssigkeit gefüllt sind, können im Fall der gemeinsamen Lieferung von Niedertemperatur-Wärme, extern zusammengeschalten werden.The two hydraulically separate circuits, which are filled with the same heat transfer fluid, can be connected externally if low-temperature heat is supplied together.

Der die Kollektorrückwand bildende konvektive Wärmeübertrager nimmt also auch den Transmissions-Wärmeverlust des Solarabsorbers 2 auf, der bei einem bekannten und dem Stand der Technik entsprechenden Kollektor an die Umgebungsluft abgegeben werden würde und insofern für die Gebäudeheizung dann nicht nutzbar ist.The convective heat exchanger forming the rear wall of the collector also absorbs the transmission heat loss of the solar absorber 2, which would be released into the ambient air in a known collector corresponding to the state of the art and therefore cannot be used for heating the building.

Von Vorteil ist, dass das allseitig geschlossene Gehäuse 9 des Kollektors sehr flach gehalten werden kann, da auf eine Wärmedämmung wie bei herkömmlichen Solarthermie-Kollektoren verzichtet werden kann.It is advantageous that the housing 9 of the collector, which is closed on all sides, can be kept very flat, since there is no need for heat insulation, as is the case with conventional solar thermal collectors.

Um den Verlustwärmestrom des vorgestellten solarthermischen Kollektors durch Strahlungswärmeaustausch zwischen dem Hochtemperatur-Wärmeübertrager und dem Niedertemperatur-Wärmeübertrager zu verringern, ist die erwähnte Trennfläche, z.B. ausgebildet als Blech mit guten Reflektionseigenschaften vorgesehen.In order to reduce the heat loss flow of the solar thermal collector presented by radiant heat exchange between the high-temperature heat exchanger and the low-temperature heat exchanger, the aforementioned separating surface is provided, for example in the form of sheet metal with good reflective properties.

Diese Trennfläche wird bevorzugt mittig zwischen den Wärmeübertragern angeordnet, wodurch die Wärmestrahlung zwischen Front- und Rückwand des Solarkollektors deutlich reduzierbar ist.This dividing surface is preferably arranged in the middle between the heat exchangers, as a result of which the thermal radiation between the front and rear walls of the solar collector can be significantly reduced.

Aus Effizienzgründen ist es vorteilhaft, den Solarabsorber 2 einschließlich des vom Fluid durchströmten Rohrsystems wärmeisolierend im Gehäuse zu fixieren.For reasons of efficiency, it is advantageous to fix the solar absorber 2, including the pipe system through which the fluid flows, in the housing in a heat-insulating manner.

Aus dem gleichen Grund der Effizienzsteigerung wird im Gegensatz hierzu der rückseitig angeordnete Niedertemperatur-Wärmetauscher wärmeleitend mit dem übrigen Gehäuse sowie bevorzugt mit dem Befestigungssystem des Solarkollektors für Dach oder Fassade verbunden.In contrast to this, for the same reason of increasing efficiency, the low-temperature heat exchanger arranged at the rear is heat-conductively connected to the rest of the housing and preferably to the fastening system of the solar collector for the roof or facade.

Die dort konvektiv übertragende Wärme ist neben der Übertragungsfläche und Temperaturdifferenz zwischen Luft und Wärmeträger vor allem vom äußeren luftseitigen Wärmeübergang abhängig und damit von der Oberflächenstruktur, der Strömungsgeschwindigkeit und den Strömungsbedingungen.In addition to the transfer surface and the temperature difference between the air and the heat carrier, the convectively transferred heat there is primarily dependent on the external air-side heat transfer and thus on the surface structure, the flow velocity and the flow conditions.

Turbulente Strömungen und eine Verwirbelung verbessern den Wärmeübergang und werden durch eine entsprechende Oberflächengestaltung und Oberflächenvergrößerung des Gehäuses und des Befestigungssystems unterstützt.Turbulent flows and turbulence improve the heat transfer and are supported by a corresponding surface design and surface enlargement of the housing and the fastening system.

Da diese Teile üblicherweise aus einem metallischen Material bestehen, ist für eine gute Wärmeleitung zum Wärmeträger im Sinne einer hohen Niedertemperatur-Wärmelieferung gesorgt.Since these parts usually consist of a metallic material, good heat conduction to the heat carrier is ensured in the sense of a high low-temperature heat supply.

Eine konvektive Wärmeübertragung erfordert spezielle Wärmeübertragerkonstruktionen. Hier ist beispielsweise die Anwendung der sogenannten Rollbond-Technologie von Vorteil.Convective heat transfer requires special heat exchanger designs. Here, for example, the use of so-called rollbond technology is advantageous.

Die konvektive Wärmeübertragung der Umgebungsluft auf den Kollektor wird auch von der Anordnung des oder der solarthermischen Kollektoren auf oder am Gebäude, d.h. dem Dach oder einer Fassade bzw. einem Balkon beeinflusst.The convective heat transfer from the ambient air to the collector is also influenced by the arrangement of the solar thermal collector(s) on or on the building, i.e. the roof or a facade or a balcony.

Hier ist es von Vorteil, mehrere der erfindungsgemäßen Kollektoren so anzuordnen, dass alle Kollektoren möglichst gleichmäßig von Umgebungsluft angeströmt werden, um eine ungewollte Auskühlung einzelner Kollektoren durch eine bereits durch Wärmeaustausch abgekühlte Strömung zu vermeiden.It is advantageous here to arrange several of the collectors according to the invention in such a way that ambient air flows as evenly as possible against all collectors in order to avoid unwanted cooling of individual collectors by a flow that has already been cooled by heat exchange.

In einer Ausführungsform der Erfindung, ist die Breite des jeweiligen solarthermischen Kollektors größer als die Kollektorlänge, um den luftseitigen Wärmestrom, insbesondere an der Kollektorrückseite nach kurzer Distanz zu unterbrechen bzw. zu stören, indem wärmere Zuluft aus der Umgebung zugeführt wird und sich der konvektive Wärmeübergang durch Verwirbelung verbessert.In one embodiment of the invention, the width of the respective solar thermal collector is greater than the collector length in order to interrupt or disrupt the air-side heat flow, especially on the back of the collector, after a short distance by warmer supply air being supplied from the environment and the convective heat transfer enhanced by turbulence.

In diesem Sinne können unter den Kollektoren von Kollektorfeldern Luftleitbleche angeordnet werden, die das Strömungsprofil zur Verbesserung des luftseitigen Wärmeüberganges optimierend beeinflussen.In this sense, air baffles can be arranged under the collectors of collector arrays, which have an optimizing influence on the flow profile to improve the air-side heat transfer.

Für den Luftaustausch zwischen Vorder- und Rückseite von übereinander angeordneten Kollektoren bei einer Vorwandanordnung an Fassaden sind Leitbleche angeordnet, die mit dem Befestigungssystem der Kollektoren eine Einheit bilden können.For air exchange between the front and rear of collectors arranged one above the other in a pre-wall arrangement on facades, baffles are arranged, which can form a unit with the fastening system of the collectors.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

DE 202006016294 U1 [0002]
EP 1914488 B1 [0002, 0014]
DE 10102041 C2 [0009]

Claims

Solar thermal collector for heating a fluid medium both by absorbing solar energy and by exchanging heat with ambient air, consisting of a housing (9) with a radiation-transmissive upper cover (1) and a housing base as well as one arranged below the cover through which the fluid medium flows High-temperature solar absorber (2), which can be integrated into a first heat transfer circuit, characterized in that the housing base is designed as the back of a convective low-temperature heat exchanger (4) and this can be integrated into a second heat transfer circuit, with between the high-temperature solar absorber (2) and a separating surface (3) is provided for the low-temperature heat exchanger (4), forming a sandwich structure, and the housing (9) is essentially closed with respect to the ambient air.

Solar thermal collector after claim 1 , characterized in that the high-temperature solar absorber (2) and its, the fluid medium-carrying inlets and outlets (7; 8) thermally insulated from the housing (9) is designed or arranged.

Solar thermal collector after claim 1 or 2 , characterized in that the separating surface (3) to reduce a heat exchange between the high-temperature solar absorber (2) and the low-temperature heat exchanger (4) is designed to reflect radiation.

Solar thermal collector according to one of the preceding claims, characterized in that the housing (9) and the housing base consist of a material with good thermal conductivity.

Solar thermal collector after claim 4 , characterized in that the housing (9) and / or the housing base is provided at least on the outside of the collector with a surface-enlarging structure.

Solar thermal collector according to one of the preceding claims, characterized in that the housing base is designed at least as part of a trough of the convective low-temperature heat exchanger (4).

Solar thermal collector according to one of the preceding claims, characterized in that the surface side of the high-temperature solar absorber (2) facing the separating surface (3) has a reduced emissivity, so that transfer of thermal energy in the direction of the low-temperature heat exchanger (4) can be reduced.

Solar thermal collector according to one of the preceding claims, characterized in that flow guide devices are provided on the underside of the respective collector in the direction of the bottom of the housing, so that the heat exchange with the ambient air can be intensified.

Solar thermal collector according to one of the preceding claims, characterized in that the first and the second heat carrier circuit are designed to be hydraulically separate but can optionally be connected together.

Solar thermal collector according to one of the preceding claims, characterized in that means for heat-conducting connection to the solar collector fastening system are arranged or provided on the housing (9) and/or the bottom of the housing.