DE19505857C2 - Sonnenkollektorelement - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sonnenkollektore
lement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige Sonnenkollektorelemente werden zunehmend zur
Energiegewinnung, insbesondere zur Warm- oder Heißwasser
bereitung auf Hausdächern oder anderen, starker Sonnen
einstrahlung ausgesetzten Flächen montiert.
Aus der US 5 143 053 ist ein Sonnenkollektorelement mit
einer Absorberplatte und einem teilweise offenen Aufnah
mekanal bekannt, wobei in den Aufnahmekanal ein aus Sili
konkautschuk bestehender Rohrleitungsabschnitt einfügbar
ist.
Die Abführung der Wärme von der Absorberplatte und die
Erhitzung eines Wärmeträgerfluids erfolgen dadurch, daß
die Absorberplatte in thermischem Kontakt mit der Rohr
leitung steht, durch welche das Wärmeträgerfluid strömt.
Die Wärme des Wärmeträgerfluids kann z. B. über einen Wär
metauscher an eine Brauchwassererwärmungsanlage abgegeben
werden.
Zwar läßt die Elastizität des für die Rohrleitung verwen
deten Materials auch ein Einfrieren des Wärmeträgerfluids
ohne Zerstörung der Rohrleitung zu, die Materialauswahl
geht aber zu Lasten des thermischen Wirkungsgrades und
und der Unbedenklichkeit gegenüber der Durchleitung von
Trinkwasser.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung ei
nes Sonnenkollektorelementes, das aus vorgefertigten Bau
elementen besteht und am Bau einfach montiert werden
kann, wobei das Sonnenkollektorelement einen hohen Wir
kungsgrad aufweist und zur direkten Erwärmung von Trink
wasser geeignet ist.
Diese Aufgabe wird bei einem Sonnenkollektorelement nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die im Kennzeichen
angegebenen Merkmale gelöst.
Das erfindungsgemäß ausgebildete Sonnenkollektorelement
kann am Ort des Einsatzes für die zur Verfügung stehende
Fläche passend zugeschnitten und anschließend die Rohr
leitung aus elastischem Kunststoffmaterial in thermischen
Kontakt damit verbunden werden. Darüberhinaus braucht man
dem Wärmeträgerfluid kein Frostschutzmittel beizumengen,
da das Kunststoffmaterial aufgrund seiner Elastizität ge
gen Gefrier- und Auftauprozesse unempfindlich ist.
Bei einer Ausbildung der metallischen Absorberplatte oder
Absorberstreifen mit mehreren im Querschnitt teilweise
offenen Aufnahmekanälen wird die Rohrleitung in diese
Aufnahmekanäle eingebettet. Aufgrund ihrer Elastizität
kann die Rohrleitung auch in solche Aufnahmekanäle hin
eingedrückt werden, deren Aufnahmespalt enger als die
Breite der Rohrleitung ist, was die Montage auf der Bau
stelle wie auch ggf. im Werk weiter vereinfacht.
Als Kunststoffmaterial ein EPDM (Ethylen Propylen Dien
Terpolymer)-Kautschuk besonders geeignet ist. Durch den
Gehalt eines gut wärmeleitenden Zusatzstoffes in Form von
Graphitpulver wird der Kollektorwirkungsgrad gegenüber
bekannten Ausführungen deutlich verbessert. Dabei werden
die Verarbeitungseigenschaften des Kunststoffmaterials,
nur unbedeutend beeinträchtigt.
Die Form- und Alterungsbeständigkeit des Kunststoffmate
rials gegen extreme thermische Belastungen wird durch
Vernetzung verbessert. Statt der üblichen Schwefelver
netzung wird bei der Erfindung jedoch peroxidvernetztes
Kunststoffmaterial verwendet, das frei von trinkwasserge
fährdenden Zusatzstoffen ist. Da in diesem Fall keine
schädlichen Stoffe in das Trägerfluid übertreten können,
ist eine direkte Erwärmung von Trinkwasser möglich, so
daß auf sonst übliche verlustbehaftete Wärmetauscher ver
zichtet werden kann.
Bei dem erfindungsgemäßen Sonnenkollektorelement ist die
dem Sonnenlicht ausgesetzte Oberfläche der Absorberplatte
oder Absorberstreifen absorbierend beschichtet ist. Durch
eine solche Beschichtung wird eine Reflexion der einfal
lenden Sonnenstrahlung verringert, so daß ein größerer
Anteil der Strahlung in Nutzwärme umgewandelt wird. Durch
eine selektive Beschichtung wird der Wirkungsgrad weiter
erhöht.
Vorzugsweise wird ein einteiliger durchgehender Schlauch
durch alle Aufnahmekanäle verlegt. Auf diese Weise können
zahlreiche Verbindungsstücke entfallen, die bei der Aus
gestaltung des Metallabsorbers nach dem Stand der Technik
üblich sind. Dies verringert auch die Gefahr von Lecks im
Rohrleitungssystem. Darüberhinaus wird die Herstellung
des Sonnenkollektorelementes vereinfacht, denn die beim
Stand der Technik zum Verbiegen der Metallrohre notwen
digen Arbeitsschritte entfallen.
Um einen möglichst hohen Kollektorwirkungsgrad zu erzie
len, ist weiter vorteilhaft, daß die Aufnahmekanäle die
Rohrleitung auf 50% bis 90% ihres Umfangs wärmeleitend
berühren, damit ein großflächiger Wärmeübergang stattfin
den kann.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung bilden
die Aufnahmekanäle Vertiefungen in der einstückigen Ab
sorberplatte oder den Absorberstreifen. Diese Vertiefun
gen eignen sich besonders zum montagefreundlichen Hinein
drücken der Rohrleitung, so daß ein einfacher und voll
ständiger Zusammenbau auf der Baustelle möglich ist.
Bei einer zweiten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die
Aufnahmekanäle als an die Absorberplatte oder Absorber
streifen angesetzte Klemmprofile mit teiloffenem Quer
schnitt ausgebildet sind.
Bei einer dritten Ausführungsform sind Absorberplatte
oder die Absorberstreifen gemeinsam mit den Aufnahmekanä
len als Strangpressprofil hergestellt.
Die erste Alternative ermöglicht eine einfache Herstel
lung der Absorberplatten oder Absorberstreifen, da eine
Vielzahl von parallelen Aufnahmekanälen, leicht durch
Biegen, Prägen oder Tiefziehen gebildet werden können.
Die zweite Alternative ist besonders flexibel hinsicht
lich der Verteilung der Aufnahmekanäle an der Absorber
platte oder den Absorberstreifen. Die dritte Alternative
ermöglicht die Herstellung von Absorberplatte oder Absor
berstreifen zusammen mit den Aufnahmekanälen in einem Ar
beitsgang. Wegen der Werkzeugkosten ist sie allerdings
erst bei großen Stückzahlen wirtschaftlich.
Die Wandung eines Aufnahmekanals kann rund sein, um eine
runde Rohrleitung aufzunehmen. In diesem Fall ist zur Op
timierung der Wärmeübertragung bevorzugt, daß der Aufnah
mekanal einen Querschnitt hat, der die Rohrleitung auf
mehr als der Hälfte ihres Umfangs umgreift. Grundsätzlich
kann die Rohrleitung und der Aufnahmekanal jedoch belie
bigen, z. B. auch einen rechteckigen Querschnitt haben.
Bei an die Absorberplatte oder Absorberstreifen angekleb
ten Rohrleitungsabschnitten wird für den Querschnitt des
Rohrleitungsabschnittes eine Abflachung bevorzugt und
diese Abflachung mit der Absorberplatte oder den Absor
berstreifen verbunden. Dadurch läßt sich auch bei dieser
Ausführung die Kontaktfläche zur Absorberplatte oder den
Absorberstreifen vergrößern.
Eine selektive Beschichtung kann zweckmäßig aus Komponen
ten bestehen, die einerseits die Absorpteigenschaften für
des Solarspektrums steigern und andererseits die Immisi
onseigenschaften für das Infrarotspektrum reduzieren.
Als selektive Beschichtungen kommen eine Kombination von
Glanz-Nickel und Schwarz-Chrom oder Titannitrid (TiNxOy)
oder eine gesputterten Keramik in Betracht. Dabei werden
die beiden letztgenannten Materialien aus ökologischen
Gründen bevorzugt.
Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben
sich aus der weiteren Beschreibung und den Zeichnungen,
anhand derer die Erfindung erläutert wird.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Sonnen
kollektorelement mit einer Absorber
platte nach der Erfindung,
Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Absor
berplatte mit Klemmprofilen,
Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Absorber
platte mit eingeklemmter Rohrleitung
aus Kunststoff,
Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Aufnah
mekanal mit eingebetteter Rohrlei
tung,
Fig. 5 einen Querschnitt durch einen als
Vertiefung ausgebildeten Aufnahmeka
nal mit eingebetteter Rohrleitung,
Fig. 6 einen Querschnitt durch einen als
Strangpressprofil ausgebildeten
Absorberstreifen mit einer einge
klemmten Rohrleitung und
Fig. 7 eine Querschnittsdarstellung ähnlich
Fig. 6, jedoch mit seitlichen Fi
xieransätzen und Fixierausnehmungen.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein Sonnenkollekto
relement 1 mit einer Absorberplatte 2. Das Sonnenkollek
torelement 1 umfaßt einen Rahmen 3, der z. B. vollständig
aus einem tiefgezogenen Metallblech oder aus Kunststoff
profilen mit einer Rückwand 4 aus Metallblech bestehen
kann. Zwischen der Absorberplatte 2 und der Rückwand 4
ist eine Wärmedämmschicht 5 angeordnet, die aus Mineral
wolle und/oder PU-Schaum bestehen kann. Nach außen ist
das Sonnenkollektorelement 1 mit einer transparenten Ab
deckung 6 aus eisenarmem Glas versehen. Eine Seitenisola
tion 7 kann durch eine Luftschicht oder durch Mineral
wolle gebildet sein.
Die Absorberplatte 2 besteht aus einer 0,3 bis 0,5 mm
dicken Kupferplatte mit aufgelöteten Klemmprofilen 8 aus
Kupfer als Aufnahmekanäle für die mit Wasser gefüllte
Rohrleitung 9 aus Kunststoffmaterial. Das Kunststoffmate
rial, hier EPDM-Kautschuk, enthält einen gut wärmeleiten
den Zusatzstoff, dessen Gewichtsanteil zwischen 20% und
60%, vorzugsweise 40% beträgt. Als Zusatzstoff sind Me
tallpulver, insbesondere Aluminiumpulver, oder Graphit
pulver oder ein Gemisch von diesen geeignet.
Aufgrund ihrer Elastizität kann die Rohrleitung 9 in das
entsprechende Klemmprofil 8 eingebettet werden, obwohl
der Aufnahmespalt des Klemmprofils 8 enger ist als die
Breite der Rohrleitung 9. Ferner bewirkt die Elastizität
einen guten Formschluß und damit eine gute Wärmeübertra
gung zwischen der Absorberplatte 2 und der Rohrleitung 9.
Das Klemmprofil 8 wirkt neben seiner Aufnahmefunktion mit
gutem thermischen Kontakt zur Absorberplatte 2 auch als
wärmeübertragende Rippe, die den Wärmetransport von der
Absorberplatte 2 in die Rohrleitung 9 verbessert.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch eine Absorberplatte
2, die sich von der in Fig. 1 gezeigten Absorberplatte
nur in der Anzahl der Klemmprofile 8 unterscheidet. Auf
der Absorberplatte 2 sind zwölf Klemmprofile 8 in einem
Abstand a von 115 mm aufgelötet. Die Oberfläche der Ab
sorberplatte 2 und die Außenseiten der Klemmprofile 8
sind mit einer selektiven Beschichtung versehen, um den
Wirkungsgrad zu verbessern.
Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf eine Absorberplatte 2,
die im wesentlichen der in den Fig. 1 und 2 gezeigten
Ausführung der Absorberplatten 2 entspricht. In die
Klemmprofile 8 ist ein einteiliger flexibler EPDM-Kunst
stoffschlauch 10 mäanderförmig eingebettet. Der Schlauch
10 muß neben guten thermischen Eigenschaften auch eine
für den Betriebsdruck ausreichende Festigkeit aufweisen.
Außerdem muß er für eine hohe Anzahl von Einfrier- und
Auftauzyklen ausgelegt sein. Aus diesen Gründen wird eine
Wandstärke von 1,5 mm bis 2 mm gewählt.
Die Fig. 4 und 5 zeigen zwei Querschnitte durch zwei
Ausführungsvarianten eines Aufnahmekanals 11 mit einge
betteter Rohrleitung 9. In Fig. 4 ist der Aufnahmekanal
11 ein an die Absorberplatte 2 angesetztes Klemmprofil
mit teiloffenem Querschnitt ist. In Fig. 5 ist der Auf
nahmekanal 11 eine Vertiefung in der einstückigen Absor
berplatte 2. Diese Vertiefungen eignen sich besonders zum
Hineindrücken der Rohrleitung 9, so daß ein einfacher und
vollständiger Zusammenbau auf der Baustelle möglich ist.
Fig. 6 zeigt einen Querschnitt durch einen als Strang
pressprofil ausgebildeten Absorberstreifen 12 mit einer
eingeklemmten Rohrleitung 9. Ein derartiger Absorber
streifen 2 läßt sich mit einem entsprechend angepaßten
Werkzeug in einem Arbeitsgang herstellen. Absorberplatten
2 können durch Kombination mehrerer Absorberstreifen 12
in beliebiger Breite zusammengesetzt werden. Durch zu
sätzliche Fixieransätze 13 und Fixierausnehmungen 14, wie
sie der in Fig. 7 dargestellte Absorberstreifen 12 be
sitzt, lassen sich Absorberstreifen 12 dabei mechanisch
verbinden.
Claims (9)
1. Sonnenkollektorelement (1) mit einer metallischen
Absorberplatte (2) oder metallischen Absorberstrei
fen (12), mit denen jeweils ein Rohrleitungsabschnitt ei
ner flüssigkeitsführenden Rohrleitung (9) aus elastischem
Kunststoffmaterial in thermischem Kontakt verbunden ist,
wobei die metallische Absorberplatte (2) oder metalli
schen Absorberstreifen (12) mit mehreren im Querschnitt
teilweise offenen Aufnahmekanälen (11) versehen sind, in
denen der Rohrleitungsabschnitt eingebettet ist, dadurch
gekennzeichnet, daß die Rohrleitung (9) ein flexibler
Schlauch ist, daß das elastische Kunststoffmaterial ein
EPDM (Ethylen Propylen Dien Terpolymer)-Kautschuk ist,
der peroxidvernetzt und frei von trinkwassergefährdenden
Zusatzstoffen ist und einen gut wärmeleitenden Zusatz
stoff in Form von Graphitpulver enthält und daß wenig
stens die dem Sonnenlicht ausgesetzte Oberfläche der Ab
sorberplatte (2) oder Absorberstreifen (12) absorbierend
und/oder selektiv beschichtet ist.
2. Sonnenkollektorelement nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Rohrleitung (9) einteilig durch
mehrere oder alle Aufnahmekanäle (11) der Absorberplatte
(2) oder Absorberstreifen (12) verläuft.
3. Sonnenkollektorelement nach Anspruch 1 oder 2, da
durch gekennzeichnet, daß die Aufnahmekanäle (11) die
Rohrleitung (9) auf 50% bis 90% ihres Umfangs wärmelei
tend berühren.
4. Sonnenkollektorelement nach einem der Ansprüche 1
bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmeka
näle (11) als Vertiefungen in der einstückigen Absor
berplatte (2) oder den Absorberstreifen (12) ausgebildet
sind.
5. Sonnenkollektorelement nach einem der Ansprüche 1
bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmeka
näle (11) als an die Absorberplatte (2) oder die Ab
sorberstreifen (12) angesetzte Klemmprofile (8) mit teil
offenem Querschnitt ausgebildet sind.
6. Sonnenkollektorelement nach einem der Ansprüche 1
bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorberplatte (2)
oder die Absorberstreifen (12) gemeinsam mit den Aufnah
mekanälen (11) als Strangpressprofil hergestellt sind.
7. Sonnenkollektorelement nach einem der Ansprüche 1
bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des
Rohrleitungsabschnittes eine Abflachung bildet und diese
Abflachung mit der Absorberplatte (2) oder den Absorber
streifen (12) verbunden ist.
8. Sonnenkollektorelement nach einem der Ansprüche 1
bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die selektive Be
schichtung aus Komponenten besteht, die einerseits die
Absorptionseigenschaften für des Solarspektrums steigern
und andererseits die Immisionseigenschaften für das In
frarotspektrum reduzieren.
9. Sonnenkollektorelement nach Anspruch 8, dadurch ge
kennzeichnet, daß die selektive Beschichtung aus einer
Kombination von Glanz-Nickel und Schwarz-Chrom oder aus
Titannitrid (TiNxOy) oder aus einer gesputterten Keramik
besteht.
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