DE19716418C2 - Einrichtung zur solaren Nutzwärmeerzeugung und Klimatisierung für Glasdachkonstruktionen - Google Patents

Einrichtung zur solaren Nutzwärmeerzeugung und Klimatisierung für Glasdachkonstruktionen

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Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Sonnenkollektoren in Form von Flach- und Vakuum-Röhrenkollektoren zur Umwandlung der direkten und indirekten Sonneneinstrahlung in nutzbare Wärme sind Stand der Technik. Gleiches gilt für Photovoltaik (PV)-Module, welche die Sonneneinstrahlung direkt in elektrischen Strom umwandeln. Grundsätzlich können die auf dem Markt befindlichen Sonnenkollektoren und PV-Module in Glasflächen integriert und zur Wärme- und Strom­ gewinnung genutzt werden. Nachteilig dabei ist die damit verbundene Beeinträchtigung der Transparenz und Tageslichtbeleuchtung der Glaseindeckung.
Der Erfindung zugrunde liegt die Aufgabe eine Einrichtung zur solaren Nutzwärme­ erzeugung und Klimatisierung für Glasdachkonstruktionen zu schaffen, mit einer gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Nutzwärmeerzeugung und -abführung ohne wesentliche Beeinträchtigung des Lichteinfalls. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Erste Erfahrungen mit mit einer Vorläufertechnologie wurden in der Tschechischen Repu­ blik in Gewächshäusern zur Erwärmung von Wasser für die Wachstumförderung von Pflanzen gemacht und die praktische Anwendbarkeit der Technologie demonstriert. In einer weiteren Anwendung wurde bei einer Ausstellungshalle die südliche Dachhälfte in einer Sparren Spanten-Konstruktion aus Holz vollständig durch Verbundscheiben mit Fresnel­ zylinderlinsen aus Glas eingedeckt. Mit dieser, für Wassertemperaturen bis zu maximal 60°C ausgelegten Konstruktion, wird Brauchwasser für ein nahegelegenes Hotel mit Restaurant erzeugt. Die Kollektoren werden dabei der Deklination der Sonne im Verlauf des Jahres nachgeführt. Durch diese einachsige Nachführung ist nur während einer täglichen Betriebsdauer von etwa +/-1,5 Stunden um die Mittagszeit eine ausreichend gute Energie­ ausbeute gewährleistet und eine Klimatisierung der unter dem Glasdach liegenden Räume tritt nicht in dem erforderlichen Maße ein.
Gemäß der Erfindung werden in die Glaseindeckung integrierte Fresnelzylinderlinsen aus transparentem Kunststoff mit höherer Konzentration und besseren lichttechnischen Eigenschaften verwendet sowie, mittels moderner Glasdachkonstruktionen die Abschat­ tungeffekte verringert. Durch eine zweiachsige Nachführung der Absorber kann über eine Dauer von sechs Stunden die direkt eingestrahlte Solarenergie vollständig auf die Absorber gelenkt werden und in der restlichen Zeit nahezu vollständig. Durch die Kombination der genannten Effekte wird eine erheblich verbesserte Energieausbeute des Systems erzielt und ein starker Klimatisierungseffekt in den Räumen unter dem Glasdach erzeugt.
Geeignet sind in unseren Breitengraden südlich-orientierte Dachflächen mit einer Neigung von 20° bis 60° zur Horizontalen wie Wintergärten, Lichthöfe, Firstverglasungen, Aus­ stellungs- und Messehallen, Sport- und Freizeitzentren, Gartenzentren und Gewächshäuser sowie Industrie- und Gewerbegebäude. Anstatt einer normalen Glaseindeckung werden vorgefertigte Verbundglasscheiben mit integrierten Fresnel-Zylinderlinsen aus transparentem Kunststoff verwendet. Es kann sowohl das gesamte Dach des Gebäudes mit den Verbund- scheiben belegt werden als auch nur ein Teil davon, wobei die gesamte Belegungsfläche als Kollektorfläche fungiert, was die Erzeugung von großen solaren Wärmemengen ermöglicht. Die integrierten Fresnel-Zylinderlinsen bündeln die direkte Sonneneinstrahlung mit einer etwa 10fachen Konzentration auf unter dem Glasdach in den Brennlinien angebrachte Absorber, welche die Sonnenenergie in Nutzwärme umwandeln und aus dem Rauminnern abführen. Durch den erzeugten Klimatisierungseffekt wird eine Überhitzung in dem unter dem Dach liegenden Räumen vermieden und es kann, auch bei direkter Sonneneinstrahlung im Hochsommer, auf ein Beschattungs- und Klimatisierungs­ system gänzlich verzichtet werden. Die Verbundscheiben mit den integrierten Fresnel- Zylinderlinsen besitzen eine hohe Transparenz und Lichtdurchlässigkeit sowie einen hohen g-Wert (Energieeintrag) und niedrigen k-Wert (Energieverlust). Das durchgehende diffuse Sonnenlicht und Streueffekte an den Fresnel-Linsen erzeugen im Rauminnern ein blendungsfreies und kontrastarmes, helles Tageslicht, ähnlich einer indirekten Beleuchtung. Im Winter und in den Übergangszeiten können die Absorber aus den Brennlinien genommen werden, so daß die Sonneneinstrahlung in direkter Weise als Raumheizung genutzt werden kann. Die unter dem Glasdach verlaufenden Absorber sind in weitem Abstand voneinander angebracht und stellen keine Beeinträchtigung der Transparenz des Glasdaches dar. Sie können als architektonisch attraktive Gestaltungselemente des unter dem Glasdach liegenden Raumes genutzt werden. Die in den Absorbern erzeugte Nutzwärme wird mittels eines Wärmeträgers aus dem Raum abgeführt, wobei, aufgrund der Konzentration der Sonnenenergie, auch höhere Temperaturen bis zu 150° und darüber wirtschaftlich erreicht werden können. Bei Temperaturen unter 100 C wird als Wärmeträger Wasser ohne Antifrost-Zusatz verwendet, da sich alle Komponenten im Rauminnern befinden. Bei höheren Temperaturen wird Wasser unter Druck oder ein geeignetes Wärmeöl verwendet. Um Wärmeverluste zu minimieren und eine Raumabkopplung zu erreichen, werden dabei in Vakuumröhren untergebrachte Absorber verwendet. Aufgrund der Sonnenbewegung im Verlauf des Tages und Jahres ergibt sich eine Brennlinienwanderung der Fresnel- Zylinderlinsen, die eine Nachführung der Absorber erforderlich macht. Mittels einer programmgesteuerten, zweiachsigen Mechanik werden die Absorber dem Sonnenstand im Azimut (Tageslauf der Sonne) und in der Deklination (Jahreslauf der Sonne) nachgeführt, um eine optimale Energieausbeute und minimalen Raumeintrag zu erreichen. Eine größere Anzahl von Absorbern wird zu Modulen zusammengefaßt und gemeinsam nachgeführt. Die Nachführung kann beliebigen Dachneigungen angepaßt werden und zeichnet sich durch Unauffälligkeit aus. Die erzeugte Wärme kann zur Brauchwassererwärmung wie auch zur Heizungsunterstützung, z. B. mittels Latent-, Wasser- und Erdspeicher, dienen.
Aufgrund der durch die Konzentration erzielbaren hohen Temperaturen bieten sich weite Anwendungsmöglichkeiten auf dem Gebiet der Prozeßwärme sowie der Betrieb von nachgeschalteten Absorptionsanlagen zur Klimatisierung und Kälteerzeugung, insbesondere Ihr südliche Klimazonen, an. Durch auf den Absorbern angebrachte Photovoltaik (PV)- Elemente kann, kombiniert zur thermischen Nutzung, kostengünstig elektrischer Strom erzeugt werden, da durch das konzentrierte Sonnenlicht weniger PV-Fläche benötigt und zusätzlich der Wirkungsgrad verbessert wird. Besonders vorteilhaft kann die vorliegende Technologie in südlichen Ländern mit hoher direkter Sonneneinstrahlung angewendet werden. Die dabei erzielbaren Wärmemengen und elektrischen Energieerträge liegen bis vierfach so hoch wie in unseren Klimazonen.
In den Schemazeichnungen Fig. 1 und Fig. 2 sind die wichtigsten Baugruppen und Merkmale der Einrichtung dargestellt: Fresnel-Zylinderlinsen 1, Absorber 2 und der Strahlengang durch die Fresnel-Zylinderlinsen 3. In der Abbildung Fig. 3 ist der Strahlengang 3 in Abhängigkeit von der Deklination der Sonne (Jahresgang der Sonne) dargestellt und die erforderliche Nachführung der Absorber 2 aufgezeigt. Die Abbildung Fig. 4 zeigt eine beispielhafte Konfektionslösung A für eine in eine Glas-Verbundscheibe integrierte Fresnel- Zylinderlinse aus transparentem Kunststoff geeignet für kundenspezifische Anforderungen wie Wärme- und Schallschutz, Bruchsicherheit etc. und eine "aufklipsbare" Fresnel- Zylinderlinse B, geeignet für Nachrüstungen von bestehenden Glaseindeckungen. In der Darstellung A sind die innere und äußere Glasscheibe 4 und 5, die Fresnel-Zylinderlinse 1 aus transparentem Kunststoffund die Zwischenräume 6 gekennzeichnet. Die Darstellung B zeigt Verbundscheiben einer bestehenden Sicherheitsverglasung mit Zwischenspalt 5*, 6 und 4*, welche mit einer Fresnel-Zylinderlinse 1 aus transparentem Kunststoff nachgerüstet wurde. Die nachfolgende Abbildung Fig. 5 zeigt eine Glasdachkonstruktion mit Fresnellinsen 1, die zweiachsige, lineare Nachführmechanik 7 und 8, die in zwei nachgeführten Koordinaten dem Gebäude und dem Dach angepaßt ist (die Koordinaten werden dadurch i. a. nicht mehr rechtwinklig sein), sowie die gekoppelten Absorber 2.
Ebenso dargestellt sind die Zu- und Abführungsschläuche des Wärmeträgers 9. In der Abbildung Fig. 6 sind die beispielhaften Nachführbewegungen der Absorber im Azimut 11 und in der Deklination 12 angegeben sowie die Zu- und Abführungsschläuche 9 für den Wärmeträger dargestellt und mögliche Durchströmungsrichtungen der Absorber 2 gekennzeichnet. Die Zu- und Abführungsschläuche für das Wärmeträgermedium können getrennt oder gemeinsam in "Kabelschleppeinrichtungen" zweidimensional beweglich nachgeführt werden. Herkömmliche solare Nachführungen kommen für die genannte Einrichtung nicht in Frage, da sie entweder nicht in das Gebäude integrierbar sind, oder den benötigten Effekt nicht leisten. Zylinderlinsen, deren Zylinderachse nicht in der Ebene, definiert aus Erdachse und Mittagshöhe der Sonne, liegt, benötigen eine Nachführung, die nicht im Azimut der Sonne, sondern in der Ebene, definiert durch Zylinderachse und Sonne, nachführt. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist, daß sie besonders unauffällig in das Gebäude integriert werden kann und damit kein wesentliches Störelement in dem unter dem Glasdach befindlichen Wohnraum, Büro, Werkhalle oder dergleichen darstellt.

Claims (9)

1. Einrichtung zur solaren Nutzwärmeerzeugung und Klimatisierung für Glasdachkonstruktionen mit in den transparenten Scheiben des Daches integrierten oder an den transparenten Scheiben angebrachten Fresnel-Zylinderlinsen 1 mit in deren Konzetrationsbereichen angeordneten, von einem Wärmeträger durchflossenen Absorbern dadurch gekennzeichnet, daß die Absorber in zwei Ebenen verschiebbar sind und so dem Tages- und Jahresverlauf der Sonne nachgeführt werden können.
2. Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Absorber zu Modulen zusammengefaßt werden und mittels Wagen oder Schlitten ohne starre Verbindung zwischen den Wagen oder Schlitten an den Absorberenden geführt und synchron bewegt werden.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Position der Wagen oder Schlitten durch ein Meßsystem bestimmt wird.
4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Nachführung in der einen Ebene lotrecht erfolgt und in der anderen Ebene parallel zur Glasdachneigung.
5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die Nachführmechanik mittels eines Rechenprogrammes für die Sonnenbewegung und einer Funkuhr programmgesteuert wird.
6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die Absorber zur Raumheizung mittels direkter Sonneneinstrahlung und zur Vermeidung hoher Stillstandstemperaturen aus den Brennlinien genommen werden können.
7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die Absorber einfache vom Wärmeträgermedium durchflossene Blechabsorber oder Absorber in Vakuumröhren oder Glas- bzw. Kunststoffröhren sind.
8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die Blechabsorber zum Rauminnern gedämmt oder verspiegelt sind, mit oder ohne selektive Beschichtungen nach oben.
9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß Photovoltaik (PV)-Elemente zur Stromerzeugung auf vom Wärmeträger durchflossenen Absorber montiert sind, wobei der Wärmeträger zur Wärmegewinnung in niederem Temperaturbereich genutzt werden kann.
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