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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Vorrichtung zur Gewinnung von Wärmeenergie
aus Solarstrahlung und Außenluft.
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Es ist bekannt, Wärmeenergie aus der Solarstrahlung
mit Sonnenkollektoren/Absorbern und aus der Außenluft mit Wärmetauschern
zu gewinnen.
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Sonnenkollektoren werden in der Regel
nur zur Brauchwasserbereitung in Verbindung mit Wasserspeichern
verwendet. Die Einsparung an Primärenergie für ein Einfamilienhaus beträgt weniger
als 10% vom jährlichen
Gesamtverbrauch.
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Der Grund, für den geringen Wärmeertrag, liegt
in der schwachen Strahlungsintensität je m2 Oberfläche in Abhängigkeit
von der Himmelsrichtung und den hohen Eigenverlusten, insbesondere
bei fehlender Wärmeabnahme,
durch hohe Betriebstemperaturen. Abhilfe durch große Speichervolumen führt zu einer
schlechten Wasserqualität
durch zu geringen Austausch und niedrige Wassertemperatur, die eine
Nachheizung erforderlich macht. Der Einsatz einer Wärmepumpe
ist aufgrund des stark schwankenden Wärmeaufkommens von Sonnenkollektoren nicht
zweckmäßig. Die
Verwendung von Wärmeenergie
aus Sonnenkollektoren für
die Raumheizung ist durch den hohen Aufwand, – Speicher, Wärmepumpe, – und geringen
Energieertrages nicht wirtschaftlich. Wegen des hohen Flächenbedarfes
werden Kollektoren bevorzugt auf Dächern angebracht.
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Absorber verfügen über eine niedrige Betriebstemperatur
und werden z.B. für
die Schwimmbadheizung eingesetzt. Eine Verwendung zur Aufheizung
von Brauchwasser kann nur in Verbindung mit einer Wärmepumpe
erfolgen. Analog trifft das auch auf die Raumheizung zu. Abhängig von
der Betriebstemperatur weisen Absorber hohe Eigenverluste auf.
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Luftwärmetauscher nutzen in Verbindung
mit Wärmepumpen
das Wärmepotential
der Außenluft im
Niedrigtemperaturbereich. Eine direkte Nutzung für die Warmwasserbereitung und
Raumheizung ist nicht möglich.
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Unter PCT/SE98/01798 wird eine Vorrichtung
beschrieben, die bei jedem Stand der Sonne (Sommer/Winter) einen
hohen Wärmegewinn
aus mehreren Himmelsrichtungen realisiert und über einen Speicher verfügt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Vorrichtung zur Gewinnung von Wärmeenergie aus
Solarstrahlung und Außenluft
aufzuzeigen, die Solarstrahlung aus allen Himmelsrichtungen effektiver
nutzt, einen geringen Flächenbedarf
hat, deren Aufstellung und Wärmegewinn
nicht abhängig
von der Himmelsrichtung ist, die bei fehlender Wärmeabnahme anfallende Wärmeenergie
aus Solarstrahlung temperaturabhängig
zwischenspeichert und die Absorberverluste durch Abstrahlung nach
außen
vermindert sowie bei nicht ausreichender Solarstrahlung nach Bedarf
zusätzlich
Wärmeenergie
aus der Außenluft
nutzt und die Zuschaltung einer Wärmepumpe ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine
Vorrichtung zur Gewinnung von Wärmeenergie aus
Solarstrahlung und Außenluft
dadurch gelöst, dass
an einem unten offenem Gehäuse,
welches einen Turm bildet, nach allen Himmelsrichtungen Solarkollektoren
angebracht werden und sich im Inneren scheibenförmige Wärmetauscher, die vertikal im Gegenstrom
von Luft und einem flüssigen
Medium (Wasser/Sole) durchströmt
werden, befinden. Mit dem Tageslauf der Sonne wird die anfallende
Solarstrahlung aus allen Himmels richtungen von den Solarkollektoren
aufgenommen und von deren Absorbern die Wärmeenergie an die Luft, welche
vom Wärmetauscher
gekühlt
wird, im Turm übertragen.
Bei einer Wärmeanforderung
wird die Lufttemperatur im Turm 25°C nicht überschreiten, als Folge wird
die niedrige Oberflächentemperatur
der Absorber deren Wärmeabstrahlung
nach außen,
Eigenverluste, auf ein Minimum absenken. Erfolgt über einen
längeren Zeitraum
keine oder nur eine geringe Wärmeanforderung,
so wird die erhöhte
Lufttemperatur in der Absorbernähe
durch die einsetzende thermische Luftzirkulation zu den scheibenförmigen Wärmetauschern
begrenzt. Ohne Wärmeanforderung
wird die Zirkulation der Flüssigkeit
in den Wärmetauscherrohren,
sie wirken durch die sie verbindenden Sammler wie kommunizierende
Röhren,
auch Wärmeenergie
aus der Absorbernähe
abführen
und der Aufheizung der Absorber entgegenwirken. Die scheibenförmige Ausbildung
des Wärmetauschers
läßt diesen
zusätzlich
als selbstregulierenden Speicher wirken. Im Ergebnis wird durch
die neue Vorrichtung im Betriebszustand und im Stillstand mehr Wärmeenergie
aus der Solarstrahlung durch die abgesenkte Absorbertemperatur gewonnen
und ein zusätzlicher
Kurzzeitspeicher nicht erforderlich.
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Überschreitet
die Wärmeanforderung
den Wärmeeintrag
aus der Solareinstrahlung wird die Luft in der unten offenen Vorrichtung
unter die Außenlufttemperatur
abgekühlt
und wärmere
Außenluft
strömt nach,
der in den Wärmetauschern
Wärmeenergie entzogen
wird. Steht wieder ausreichend Solareinstrahlung zur Verfügung, kommt
die Außenzirkulation durch
die Sifonwirkung der Vorrichtung zum Erliegen und die Temperatur
der nutzbaren Wärmeenergie liegt über der
Außenlufttemperatur.
Reichen Solareinstrahlung und thermische Außenluftzirkulation zur Abdeckung
der Wärmeanforderung
nicht aus, wird die Außenluftzirkulation
mit den Wärmetauschern nachgeordneten
Lüftern
erhöht.
Reicht die Temperatur der verfügbaren
Wärmeenergie
für den
gewünschten
Verwendungszweck nicht aus, kann eine Wärmepumpe nachgeschaltet werden.
Die abgestufte Wärmebereitstellung
der Vorrichtung nach Temperatur und Kapazität ermöglicht einen kontinuierlichen Wärmepumpenbe trieb
mit hoher Leistungszahl ohne die Zwischenschaltung eines zusätzlichen
Speichers.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand
eines Ausführungsbeispieles
näher erläutert und
beschrieben. Dabei zeigt:
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- 1 eine
Ansicht der Vorrichtung von der Ausblasseite,
- 2 eine Ansicht der
Vorrichtung von der Ansaugseite,
- 3 einen waagerechten
Schnitt durch die Vorrichtung,
- 4 einen Schnitt
durch Türkollektor,
- 5 einen vertikalen
Schnitt durch die Vorrichtung,
- 6 Wärmetauscherrohre
mit Luft-Leitblechen vertikal,
- 7 Wärmetauscherrohre
mit Luft-Leitblechen, horizontal
- 8 Detail Türkollektor
- 9 Wärmetauscherscheibe,
Ansicht
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1 zeigt
die Vorrichtung von der Ausblasseite mit dem Türkollektor 1, dem
Gehäuse 2 mit
einem vorzugsweise quadratischen Grundriss, dem Lufteinlaß 3 und
dem Luftauslaß 4.
Zur Vermeidung einer Luftvermischung sind der Lufteinlaß 3 und
Luftauslaß 4 um
90° versetzt.
Die Türkollektoren 1 sind an
dem Gehäuse 2 befestigt.
Lufteinlaß 3 und
Luftauslaß 4 befinden
sich unterhalb der Türkollektoren 1.
Der Luftauslaß 4 ist
als Trapez ausgebildet. Die Vorrichtung besitzt nur Lufteinlaß 3 und
Luftauslaß 4 als Öffnungen.
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2 zeigt
die Vorrichtung von der Lufteinlaßseite mit dem Türkollektor 1,
dem Gehäuse 2, dem
Luftauslaß 4.
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3 zeigt
den horizontalen Schnitt durch die Vorrichtung. Die Türkollektoren 1 sind
auf das Gehäuse 2 aufgesetzt.
Im Gehäuse
sind gegenüberliegend
und zentrisch die Wärmetauscher 6 angeordnet.
In einer konkreten Ausführungsform
befinden sich zwischen den Wärmetauschern 6 Axialventilatoren
als Lüfter 5.
Die Wärmetauscher 6 bilden
mit den stirnseitig anliegenden Absorber 9 der gegenüberliegenden
Türkollektoren 1 den
Ansaugschacht 17 für die
Lüfter 5.
Der Ansaugschacht 17 über
den Lüftern 5 bildet
mit den Luftschächten
der Wärmetauscher 6 einen
Siphon mit der Wirkung, dass bei abgeschalteten Lüftern 5 keine
Luftzirkulation mit der Außenluft erfolgt,
wenn die Außenlufttemperatur
unter der Lufttemperatur in der Vorrichtung liegt. Das ist der Fall, wenn
der vorliegenden Solareinstrahlung keine entsprechende Wärmeabforderung
gegenübersteht. Übersteigt
die Wärmeabforderung
die anstehende Solareinstrahlung und die Lufttemperatur in der Vorrichtung
fällt unter
die Außenlufttemperatur,
wird es durch den Dichteunterschied zwischen der warmen Außenluft
und der kälteren
Luft in der Vorrichtung zu einem ständigen Nachstrom warmer Außenluft
in die Vorrichtung kommen. Reicht der Nachstrom warmer Außenluft
durch Thermik zur Abdeckung der Wärmeabforderung nicht aus, werden
die Lüfter 5 zugeschaltet
und der Außenluftdurchsatz
zur Deckung der Wärmeabforderung
erhöht.
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4 zeigt
einen waagerechten Schnitt durch den Türkollektor 1 mit dem
Gehäuse 2.
Der Türkollektor 1 besteht
aus dem Rahmen 7, der Dämmung 10,
der Solarscheibe 8 und dem Absorber 9. Die Solarstrahlung
erwärmt
den Absorber 9, der die Wärmeenergie an die Luft in der
Vorrichtung überträgt. Bei
hoher Wärmeabforderung
liegt die Lufttemperatur in der Vorrichtung unter der Außenlufttemperatur,
was zu einer niedrigen Absorbertemperatur und geringen Abstrahlungsverlusten
nach außen führt.
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5 zeigt
einen vertikalen Schnitt durch die Vorrichtung mit den Türkollektoren 1,
die am Gehäuse 2 befestigt
sind und mit einem aufgesetztem Deckel sowie den Lufteinlässen 3 und
den Luftauslässen 4 ein
nur nach unten offenes, turmartiges Gefäß bilden. Jeweils gegenüberliegend
sind zwei Lufteinlässe 3 und
zwei Luftauslässe 4 vorhanden.
Die Wärmetauscher 6 und
Lüfter 5 sind
zentrisch im Gehäuse angeordnet.
Die Dämmung 10 vermindert
den Wärmeverlust
nach außen.
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6 zeigt
ein Detail im vertikalen Schnitt des Wärmetauschers 6 mit
der Lamelle 13 auf dem Rohr 12 und den Luft-Leitblechen 11.
Die Luft-Leitbleche 11 unterteilen den Wärmetauscher 6 in scheibenförmige vertikale
Abschnitte, die ihrerseits als kommunizierende Röhren untereinander in Beziehung
stehen. Bei starker Solareinstrahlung ohne gleichzeitige entsprechende
Wärmeabforderung
wird die sich einstellende Temperaturerhöhung am Absorber 9 eine
Luftzirkulation verbunden mit einem Wärmetransport nach innen bewirken.
Dies vermindert die Wärmeverluste
durch Abstrahlung nach außen.
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7 zeigt
ein Detail im Schnitt des Türkollektors 1 mit
der Solarscheibe 8, dem Absorber 9 und der Dämmung 10.
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8 zeigt
ein Detail im horizontalen Schnitt des Wärmetauschers 6 mit
dem Luft-Leitblech 11, dem Rohr 12 und der Lamelle 13.
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9 zeigt
die Ansicht einer Wärmetauscherscheibe
mit dem Wärmetauscherrohr 14,
dem Vorlaufsammler 15 und dem Rücklaufsammler 16. Die
Wärmetauscherrohre 14 sind
mäanderförmig angeordnet.
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- 1
- Türkollektor
- 2
- Gehäuse
- 3
- Lufteinlaß
- 4
- Luftauslaß
- 5
- Lüfter
- 6
- Wärmetauscher
- 7
- Rahmen
- 8
- Solarscheibe
- 9
- Absorber
- 10
- Dämmung
- 11
- Luft-Leitbleche
- 12
- Rohr
- 13
- Lamelle
- 14
- Wärmetauscherrohr
- 15
- Vorlaufsammler
- 16
- Rücklaufsammler
- 17
- Ansaugschacht