DE19729742A1

DE19729742A1 - Zuluft-Abluft-Fassadensonnenkollektor

Info

Publication number: DE19729742A1
Application number: DE19729742A
Authority: DE
Inventors: Klaus Pottler; Andreas Dr Beck
Original assignee: ZAE Bayern Bayerisches Zentrum fuer Angewandte Energieforschung eV
Current assignee: ZAE Bayern Bayerisches Zentrum fuer Angewandte Energieforschung eV
Priority date: 1997-07-11
Filing date: 1997-07-11
Publication date: 1999-01-14

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Zuluft-Abluft-Fassadensonnenkollektor mit gekoppelter solarstrahlungsabsorbierender und wärmetauschender Funktion nach Anspruch 1 zur kontrollierten Belüftung von Gebäuden. Der Zuluft-Abluft Fassadensonnenkollektor befindet sich an einer Gebäudefassade, ist in diese integriert oder zusätzlich auf diese aufgesetzt. Eine Erwärmung der Zuluft (Frischluft) erfolgt sowohl durch die Verwertung eines Teils der in der Abluft enthaltenden Wärme (Wärmetauscherfunktion), als auch durch die Nutzung der eingestrahlten Sonnenenergie (Solarabsorptionsfunktion). Das vorgestellte System erhält seine besondere Leistungsfähigkeit durch die Vereinigung beider Techniken in einem Modul; dabei sind Wärmetauscher und Solarabsorber (Son nenkollektor) funktionell nicht mehr trennbar.

Wärmetauscher und Sonnenkollektoren werden für vielerlei Zwecke eingesetzt. Im Be reich der Erwärmung von Frischluft werden die Systeme für sich allein angewendet oder in verschiedenen Kombinationen hintereinandergeschaltet, jedoch immer funktionell ge trennt angewendet. Es ergeben sich folgende Nachteile:
Bei reinen Wärmetauschern wird Sonnenenergie überhaupt nicht genutzt. Reine Luft kollektoren [z. B. John A. Duffie, "Solar Engineering Of Thermal Processes", John Wiley & Sons, Inc., 1991] haben den Nachteil geringer Zulufterwärmung bei kleiner solarer Ein strahlung.

Bei Luftkollektoren mit für die Zuluft vorgeschaltetem Wärmetauscher ist eine hohe Zulufterwärmung möglich. Es sind jedoch zwei getrennte Bauteile nötig (z. B. DE 28 40 018).

Auch für Luftkollektoren mit für die Zuluft nachgeschalteten Wärmetauschern sind im wesentlichen zwei getrennte Bauteile nötig. In DE 35 45 648 bildet eine die Sonnenstrahlung absorbierende Fassade die Außenwand eines Wärmetauschers. Bei hoher Sonneneinstrahlung mindert in dieser Kombination der Wärmetauscher den Energieertrag der Zuluft und der Ertrag ist in der Regel immer niedriger als in der obengenannten, umgekehrten Kombination.

Der Zuluft-Abluft-Fassadensonnenkollektor bietet einen relativ hohen Wirkungsgrad bei der Erwärmung der Zuluft und er zeigt bei einfacher Bauweise eine nur geringe Bautiefe (möglich sind etwa 4 cm) und ein relativ niederes Gewicht. Der Fassadensonnen kollektor kann in die Fassade integriert werden oder er kann getrennt von dieser gefertigt und als Bauteil nachträglich an einer Fassade befestigt werden oder getrennt von dieser aufgestellt werden (z. B. auf dem Dach).

Fig. 1 zeigt die grundlegende technische Gestaltung des Fassadensonnenkollektors:
Der großflächige Zuluft-Abluft-Fassadensonnenkollektor besteht aus zwei Strömungs kanälen, die durch die Zwischenräume 2 und 4 der transparenten Abdeckungen 1 und 3 gebildet werden. Die frische Zuluft 8 wird im inneren Kanal des Fassadenkollektors und einen Luftschacht durch die Gebäudeisolation 6 und Gebäudewand 7 ins Gebäudeinnere 11 geführt. Die verbrauchte Abluft 9 wird im äußeren Kanal zur Gebäudeaußenseite 10 geführt.

Die Abstände der Abdeckungen liegen etwa bei 15 mm bis 50 mm. Die Breite und Höhe des Fassadenkollektors liegt im Bereich von 1 m bis 3 m. Der Volumenstrom liegt dabei zwischen 50 bis 200 m³/h. Die Maße des Kollektors werden aber je nach Anwendung variieren.

Die innere Begrenzung des Zuluftkanals ist als Solarabsorberschicht ausgebildet (5). Dies kann eine spezielle Platte sein oder auch nur eine Beschichtung der Isolation, bzw. Gebäudewand. Auf die Isolierung der Gebäudewand kann gegebenenfalls verzichtet wer den; diese wirkt dann beispielsweise als Wärmespeicher. Vorzugsweise ist eine selektive Absorberschicht zu verwenden, um den Abstrahlungsverlust dieses Bauteils zu mindern. Um die Wärmeübertragung auf die Zuluft zu optimieren, kann der Solarabsorber zur Ver größerung der Oberfläche mit Kühlrippen ausgestattet sein.

Die Abdeckungen 1 und 3 besitzen eine hohe Transparenz für die einfallende Sonnen strahlung, die vom Solarabsorber absorbiert wird und zu dessen Erwärmung führt. Somit wird im Falle solarer Einstrahlung die Zuluft effektiv erwärmt. Für die Abdeckungen kann z. B. Plexiglas verwendet werden, da dieses geringe Reflexionsverluste an der Oberfläche aufweist. Die äußere Kollektorabdeckung 1 kann gegebenenfalls aus mehreren Schichten oder aus einer Transparenten Wärmedämmung (TWD) aufgebaut sein, um Wärmeverlu ste an die Umgebung zu minimieren.

Wichtig ist, daß der Wärmeübergang zwischen Abluft- und Zuluftkanal größer ist, als der Wärmeübergang (Wärmeverlust) zwischen Abluftkanal und Gebäudeaußenseite.

Kalte Zuluft 8 und warme Abluft 9 fließen im Gegenstrom aneinander vorbei. Die transparente Abdeckung 3, die diese Luftströme trennt dient als Wärmetauscher. Die Abluft gibt zum Teil ihre Wärmeenergie an die Zuluft ab. Zur Verbesserung des Wir kungsgrades können verschiedene Techniken zur Erhöhung des Wärmeübergangs zwi schen Ab- und Zuluft eingesetzt werden: Dabei kann der Wärmedurchlaßgrad der Trenn schicht durch Dickenminimierung und/oder durch Verwendung von Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit maximiert werden. Zudem besteht die Möglichkeit der Vergrößerung der Wärmetauscherfläche durch Verformung der transparenten Abdeckung (z. B. Wellen- oder Zick-Zack-Form) oder durch Verwendung von Kühlrippen. Damit findet auch bei geringer solarer Einstrahlung und in der Nacht eine Zulufterwärmung statt. Dies ist be sonders wichtig während des Kernwinters in den Monaten Dezember und Januar, die in der Regel arm an solarer Einstrahlung sind. Durch Taupunktunterschreitung im Abluftkanal kann es eventuell zu Kondensation der in der Raumluft enthaltenen Feuchtigkeit kom men. Dieses Problem kann durch feuchtigkeitsabweisende Beschichtung der Kanalwände gemindert werden.

Der zur kontrollierten Belüftung benötigte Zu- und Abluftvolumenstrom wird in übli cher Weise durch Ventilatoren sichergestellt. Diese können z. B. in den Luftschächten durch die Gebäudewand angebracht sein. Ist die Luftdichtigkeit des zu belüftenden Raumes aus reichend, so ist der Betrieb des Systems auch mit nur einem Ventilator möglich. Zur Ver meidung ungewollter Strömungen (z. B. nachts oder bei starkem Wind) können Klappen an den Strömungskanälen angebracht sein.

Optional ist es möglich, die Abluft nicht durch den Fassadensonnenkollektor fließen zu lassen; in diesem Betriebszustand arbeitet der Kollektor wie ein gewöhnlicher, doppelt abgedeckter Luftkollektor. In spezieller Ausführungsform kann der Kollektor auch zur Erwärmung der Raumluft im Umluftbetrieb eingesetzt werden.

Durch die doppelte Kollektorabdeckung stellt der Fassadensonnenkollektor ein Wand bauteil dar, das auch den Wärmedurchlaßkoeffizienten der Wand vermindert und damit die Wanddämmung verbessert. Am Tag im Nichtbetrieb dient der Kollektor als transpa rente Wärmedämmung des Gebäudes. Da der Zuluftstrom direkt an der Gebäudewand vorbeistreicht, werden dort auftretende Transmissionswärmeverluste des Gebäudes weit gehend zurückgewonnen und zur Erwärmung der Zuluft genutzt.

Der warme Abluftstrom dient als thermische Trennschicht zwischen der äußeren Kol lektorabdeckung, die an die kalte Außenluft grenzt und der inneren Abdeckung, die an die zu erwärmende Zuluft grenzt. Damit wird besonders bei niedrigen Außentemperaturen der Wärmeverlust des Fassadenkollektors im Vergleich zu konventionellen, nichtevakuierten und doppelt abgedeckten Kollektoren gesenkt. Somit dient hier die Abluft bei bestimmten Betriebsbedingungen zur Erhöhung der Sonnenkollektor-Effizienz.

Claims

1. Zuluft-Abluft-Fassadensonnenkollektor zur Erwärmung der Zuluft von Gebäuden, auf der Basis eines der Gebäudefassade vorgesetzten Solarabsorbers mit integrierter Wärmetauscherfunktion, dadurch gekennzeichnet, daß parallel und einstrahlungsseitig zu einer Solarabsorberschicht mindestens zwei trans parente Abdeckungen in Abständen zueinander angebracht sind, wobei der Zwischenraum zwischen Solarabsorberschicht und der inneren, d. h. der der Absorberschicht nächstliegenden Abdeckung als Zuluftkanal dient und wobei der Zwischenraum zwischen innerer und äußerer Abdeckung als Abluftkanal dient, so daß die innere Abdeckung als wärmetauschende Schicht zwischen Zu- und Abluft wirkt.

2. Zuluft-Abluft-Fassadensonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die äußere Abdeckung aus mehreren transparenten Schichten oder einer transparenten Wärmedämmung (TWD) besteht.

3. Zuluft-Abluft-Fassadensonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die innere Abdeckung (Wärmetauscher) eine vergrößerte Ober fläche oder Kühlrippen aufweist oder aus einem Material hoher Wärme leitfähigkeit besteht.

4. Zuluft-Abluft-Fassadensonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Solarabsorberschicht eine vergrößerte Oberfläche oder Kühl rippen aufweist.

5. Zuluft-Abluft-Fassadensonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß er als eigenständiges Bauteil gefertigt ist, um an Gebäudefas saden oder getrennt davon angebracht zu werden.