DE19904249A1 - Kollektor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sonnenkollektor 2 für ein solarthermisches System zur Gewinnung von Wärmeenergie und/oder zur Stabilisierung von Innenraumtemperaturschwankungen. Der Sonnenkollektor 2 ist plattenförmig und hat eine Außenseite 3 mit Vorsprüngen 4, deren nach der Sonne ausgerichtete Oberseite eine Absorptionsschicht 9 aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Niedertemperatur-Sonnenkollektor, nachfolgend Kollektor genannt, für ein solarthermisches System zur Gewinnung von Wärmeenergie aus Sonnenstrahlung und/oder zur Stabilisierung von Innen­ raumtemperaturschwankungen in Gebäuden. Diese Kollektoren bestehen z. B. aus Metall und/oder Kunststoffen bzw. Verbundwerkstoffen und enthal­ ten z. B. ein flüssiges Medium, das zum Wärmeaustausch, -speicherung und/oder -transport dient.

Die der Sonne zugewendete Wandung des Kollektors muß eine gute Strah­ lenabsorption und eine gute Wärmeleitung aufweisen. Um die Strahlenab­ sorption gegenüber herkömmlichen Oberflächen zu verbessern, sind aus dem Stand der Technik u. a. Absorptionsfarben oder -beschichtungen be­ kannt, die auf die Oberfläche einer Strahlen absorbierenden Wandungs­ oberfläche aufgetragen werden.

Kollektoren oder Solarwärmetauscher für verschiedene Anwendungen sind aus dem Stand der Technik in den unterschiedlichsten Ausführungsformen bekannt, wie z. B. in der DE 79 35 590 U 1, DE 25 52 598 A 1, US 42 01 188, DE-GM 76 03 143, GB 21 47 407 A, US 23 29 970, 30 48 499 A1 DE 27 29 573 A1 und US 48 67 134 ausführlich beschrieben ist.

Bei der Wahl des Materials für die der Sonne zugewendete Wandung müs­ sen unterschiedlichste Randbedingungen berücksichtigt werden. Wenn eine Wandung näherungsweise waagerecht angeordnet ist, wird diese lediglich durch ihr Eigengewicht auf Durchbiegung belastet. Im Gegensatz dazu drückt bei einer senkrechten Anordnung das flüssige Medium auf die Wan­ dung, die somit gegen Auswölbung dimensioniert sein muß. Die erforderli­ che Wandstärke hängt weiterhin noch von den Festigkeitseigenschaften des Materials und der konstruktiven Ausgestaltung ab. Wenn z. B. hochfe­ stes Blech verwendet wird, kann die Wandstärke entsprechend dünn aus­ geführt sein, wodurch ein kurzer Wärmeleitweg und somit ein guter Wär­ meübergang in das flüssige Medium gegeben sind.

Geeignet sind daher Bleche aus hochfesten Legierungen, wie z. B. Edelstahl oder Aluminium. Es können jedoch auch Kunststoffe oder Verbundwerk­ stoffe eingesetzt werden, wenn sie vergleichbare Festigkeitseigenschaften aufweisen.

Diese Materialien haben vorwiegend einen hohen Reflexionsgrad und somit ein geringes Absorptionsvermögen. Daher muß auf diese Oberflächen eine eingangs erwähnte Absorptionsschicht aufgetragen werden, die die Ober­ flächen schwarz oder dunkel erscheinen läßt.

Wenn jedoch die Wandungen der Kollektoren Bestandteil der Außenfassade von Gebäuden sind, stören bzw. beeinflussen diese dunklen Flächen den ästhetischen Gesamteindruck der Fassade.

Es ist demzufolge die Aufgabe der Erfindung, einen Kollektor zur Gewin­ nung von Sonnenenergie zu schaffen, der sich vorteilhaft auch zur Integra­ tion in senkrechte Gebäudefassaden eignet und vorstehend genannte Nach­ teile überwindet.

Die Aufgabe wird mit einem Kollektor nach Anspruch 1 gelöst.

Nach Anspruch 1 weist ein Kollektor, der zur Anordnung an vorzugsweise senkrechten oder schwach geneigten Bauwerksfassaden vorgesehen ist, folgende Merkmale auf: Die Außenseite des Kollektors hat horizontal ver­ laufende Vorsprünge, die im Einbauzustand näherungsweise waagerecht verlaufen. Der Querschnitt der Vorsprünge ist vorzugsweise dreieckförmig bis sinusförmig ausgebildet, wobei auch Zwischenformen möglich sind. Die Form wird bezüglich der technologischen Fertigungsmöglichkeiten und der damit verbundenen Herstellungskosten und dem gewünschten Wirkungs­ grad des Kollektors optimiert. Die nach oben gerichtete, der Sonne zuge­ wendete Oberseite der Vorsprünge weist eine Absorptionsschicht auf. Die nach unten gerichtete Unterseite hat keine Absorptionsschicht und kann den architektonischen Bedürfnissen entsprechend frei gestaltet sein. Der Gegenstand nach Anspruch 1 weist folgende Funktion und Vorteile auf:

Wenn der Kollektor, wie vorgesehen, in oder an einer von der Sonne be­ strahlten Fassade angeordnet ist, treffen die schräg einfallenden Sonnen­ strahlen auf die Oberseite der Vorsprünge auf und werden in Wärme umge­ setzt wird, die dann an das Wärmetauschermedium, mit dem der Kollektor gefüllt ist, weitergeleitet wird.

Wenn ein Betrachter von einem erhöhten Standpunkt aus auf die Oberseite der Vorsprünge blickt, sieht er eine geschlossene dunkle Fläche. Von einem gleich hohen Standpunkt aus sieht der Betrachter ein Muster mit waage­ rechten dunklen Streifen. Wenn der Betrachter von einem unteren Stand­ punkt, z. B. von der Straße aus, nach oben auf den Kollektor sieht, sind die dunklen Oberseiten der Vorsprünge verdeckt, d. h. nicht einsehbar und können somit auch nicht den architektonischen Eindruck der Fassade stö­ ren. Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, daß die Vorsprünge gleich­ zeitig auch eine versteifende Wirkung haben, wie sie z. B. von Sicken be­ kannt ist. Insofern kann die Materialstärke der Außenwandung relativ ge­ ring gewählt werden. Die Kombination dieser zwei Effekte bildet den be­ sonderen Nutzen des Erfindungsgegenstandes.

Der Kollektor nach Anspruch 2 ist vorteilhaft weitergebildet, in dem die Oberseite der Vorsprünge so ausgerichtet ist, daß die Sonnenstrahlung in einem möglichst steilen Winkel einfällt. Es hängt von den gewünschten Be­ triebsbedingungen des Wärmegewinnungssystems ab, zu welcher bevor­ zugten Jahres- oder Tageszeit die Sonnenstrahlung in Wärme umgewandelt werden soll. Bei der Wahl der optimalen Ausrichtung sind folgende Fakto­ ren zu beachten: Die Ausrichtung der Fassade zum Sonnenstand bzw. zur relativen Sonnenwanderung und der Einfallswinkel der Sonnenstrahlung, die von der Jahres- und Tageszeit abhängen. Ferner sind u. U. die Einbau­ höhe und der Einbauort zu beachten. Das ist dann der Fall, wenn z. B. zu bestimmten Zeitpunkten eine Abschattung durch andere Gebäude vorliegt. In diesem Fall kann die Ausrichtung der Oberseite z. B. so gewählt werden, daß lediglich für die Zeit, in der keine Abschattung besteht, möglichst lange optimale Einstrahlungsverhältnisse bestehen.

Der Kollektor nach Anspruch 3 ist vorteilhaft so weitergebildet, daß die Un­ terseite der Vorsprünge so breit gewählt wird, daß für einen Betrachter von einem gewöhnlichen Standpunkt aus die Oberseite nicht einsehbar ist. Die­ se Maßnahme wird dann vorgesehen, wenn aus ästhetischen bzw. archi­ tektonischen Gründen die dunkle Absorptionsschicht für einen Betrachter auch nicht teilweise sichtbar sein soll.

Der Kollektor nach Anspruch 4 ist vorteilhaft so weitergebildet, daß die Materialstärke an der Unterseite der Vorsprünge größer ist als an deren Oberseite. Wenn die Materialstärken unterschiedlich sind, wird durch eine Materialverstärkung der Unterseite die Steifigkeit des plattenförmigen Kol­ lektors erhöht, was bautechnisch von Vorteil ist. Eine Verringerung der Wandstärke der Oberseite bewirkt dagegen einen verbesserten Wärme­ übergang, was den Wirkungsgrad des Kollektors verbessert.

Bei einem Kollektor nach Anspruch 5 sind an der Rückseite der Außenseite, d. h. innerhalb des Kollektors versteifend wirkende Stege oder Verstrebun­ gen angeordnet. Bei dieser Weiterbildung kann die Materialstärke der Wan­ dung und besonders die der Oberseite noch dünner ausgeführt werden. Weiterhin begünstigen die in das flüssige Medium hineinragenden Stege oder Verstrebungen die Wärmeübertragung von der Außenseite in das Me­ dium. Wenn die Stege gezielt zum Wärmeaustausch ausgebildet sind, kann der Wirkungsgrad des Kollektors noch weiter erhöht werden.

Bei einem Kollektor nach Anspruch 6 hat die Oberseite der Vorsprünge Auswölbungen und/oder Einbuchtungen. Mit dieser Maßnahme wird die Absorptionsfläche nochmals vergrößert und somit der Wirkungsgrad des Kollektors noch weiter erhöht.

Bei einem Kollektor nach Anspruch 7 besteht die Außenseite aus einem Edelstahl- oder einem hochfesten Aluminiumblech. Diese Materialien wer­ den als Massenware zu einem geringen Preis angeboten, da die Technolo­ gien zur Fertigung von profilierten Blechen sehr ausgereift sind, weshalb auch leicht unterschiedlichste Formen bzw. Querschnitte erzeugt werden können, wie es für die Ausführungsform nach Anspruch 2 erforderlich ist.

Bei einem Kollektor nach Anspruch 8 besteht die Außenseite aus einem UV-beständigen Kunststoff und/oder Verbundwerkstoff. Ebenso wie vor­ stehend genannte Metallbleche werden auch diese Materialien als preis­ günstige Massenware angeboten oder können mittels ausgereifter Techno­ logien gezielt und preisgünstig gefertigt werden. Nach Anspruch 9 ist der Kollektor einstückig und als Plattenkörper ausge­ bildet. Diese Bauform läßt sich gut automatisiert produzieren und als ein­ stückiges Bauteil ohne größeren Aufwand in eine Fassade einbauen.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels und von Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 zeigt eine Gebäudefassade, an der die Erfindung angeordnet ist.

Fig. 2 zeigt die Seitenansicht der Erfindung.

Fig. 3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt dieser Seitenansicht im Querschnitt.

Fig. 4 u. 5 zeigen die Vorderansichten der Erfindung aus unterschiedli­ chen Betrachtungswinkeln.

Die Fig. 1 zeigt einen Abschnitt einer Gebäudefassade 1, in die drei erfin­ dungsgemäße Kollektoren 2 integriert sind. Die Kollektoren 2 sind in diesem Beispiel jeweils in einer Höhe von 3 m über dem Straßenniveau angeordnet. Die Fig. 2 zeigt die Seitenansicht der Erfindung aus der Blickrichtung des Pfeils A aus Fig. 1. Eine Außenseite 3 des Kollektors 2 weist im wesentli­ chen horizontal und parallel verlaufende Vorsprünge 4 mit einem Dreieck- Querschnitt auf, wobei die Oberseiten 5 nach der Sonne ausgerichtet sind und Bezugszeichen 6 die Unterseiten bezeichnet.

Aus Fig. 3 ist die Geometrie der Vorsprünge 4 deutlich erkennbar. Ein Pfeil 7 zeigt eine Einfallsrichtung der Sonnenstrahlung zu einem vorbestimmten Zeitpunkt. Es ist zu erkennen, daß die Einfallsrichtung nahezu senkrecht zur Oberseite 5 verläuft, da der durch den Doppelpfeil bezeichnete Winkel zu einer Lotrechten 8 relativ klein ist. Auf den Oberseiten 5 ist eine Absorpti­ onsschicht 9 aufgebracht, deren Wirkung bereits beschrieben wurde. Mit dem Bezugszeichen 10 ist das flüssige Medium bezeichnet, das zur Spei­ cherung und/oder zum Transport der Wärme vorgesehen ist. Da die Funkti­ on dieser Kollektoren an sich dem Fachmann bekannt ist, kann auf eine nähere Erklärung in diesem Punkt verzichtet werden.

Wenn ein Betrachter, z. B. ein Fußgänger, an der Gebäudefassade 1 ent­ lang geht, blickt er aus einer in Fig. 2 mit dem Bezugszeichen 11 bezeich­ neten Richtung auf die perspektivisch verkürzte Außenseite 3 und sieht dabei nur die Unterseiten 6, die nicht mit der Absorptionsschicht 9 verse­ hen sind. Der Betrachter blickt auf eine im wesentlichen helle Platte mit schmalen waagerechten Linien, wie in Fig. 4 gezeigt. Diese von unten sichtbaren Abschnitte können auch eingefärbt sein, so daß sie gezielt als architektonisches Merkmal eingesetzt werden können.

Im Vergleich dazu würde ein Betrachter, dessen Blickrichtung der Richtung der Sonnenstrahlung entspricht, eine dunkle Fläche nach Fig. 5 sehen.

Wenn die Materialstärke im Bereich der Oberseiten 5 besonders gering ist, ergibt sich durch die kurzen Wärmeleitwege ein guter Wirkungsgrad, je­ doch verringert sich dadurch die mechanische Stabilität des Kollektors. Um diesen Nachteil auszugleichen, wurde in diesem Beispiel die Materialstärke im Bereich der Unterseiten 6 größer gewählt (auf Zeichnung nicht gezeigt), wodurch sich die mechanische Stabilität wieder erhöht.

Es ist dem Fachmann klar, daß es eine Reihe von Weiterbildungen der Er­ findung gibt. Insbesondere gibt es verschiedene Profilierungen der Wan­ dung, z. B. Sinuswellen förmig, die auf Grund der Vielzahl von Möglichkei­ ten nicht alle beschrieben werden können, jedoch der im Anspruch 1 of­ fenbarten technischen Lehre folgen und somit auch in den Schutzbereich der Erfindung fallen.

Claims (9)

1. Kollektor (2) zur Anordnung an oder in näherungsweise senkrechten Ge­ bäudefassaden (1) mit einer zur Gewinnung von Sonnenenergie vorgesehe­ nen Außenseite (3), die folgende Merkmale aufweist:

• - eine Vielzahl, im Einbauzustand horizontal verlaufende Vorsprünge (4), die im Querschnitt näherungsweise dreieckförmig oder sinusförmig ausgebildet sind, wobei
• - die nach oben gerichtete, der Sonne zugewendete Oberseite (5) der Vor­ sprünge (4) eine Absorptionsschicht (9) aufweist und
• - die nach unten gerichtete Unterseite (6) der Vorsprünge (4) eine frei wählbare Farbe oder Oberflächenstruktur aufweist.

2. Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen­ geometrie der Oberseite (5) bei gegebenen Einbauverhältnissen so gewählt wird, daß die Sonnenstrahlung in vorbestimmten Jahreszeitabschnitten und zu vorbestimmten Tageszeiten möglichst lange näherungsweise senkrecht auf die Oberseite (5) einfällt.

3. Kollektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Ab­ hängigkeit von einem vorgegebenen Betrachtungsstandpunkt (11) die Brei­ te der Unterseite (6) so gewählt wird, daß für den Betrachter die Oberseite (5) nicht sichtbar ist.

4. Kollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Materialstärke der Unterseite (6) größer ist als die der Oberseite (5).

5. Kollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Rückseite der Außenseite (3) versteifend wirkende Stege oder Verstrebungen aufweist.

6. Kollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Außenseite (3) Auswölbungen und/oder Einbuchtungen aufweist, um die Absorptionsfläche zu vergrößern.

7. Kollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Außenseite (3) ein Edelstahl- oder ein hochfestes Alumi­ niumblech ist.

8. Kollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Außenseite (3) ein UV-beständiger Kunststoff und/oder Verbundwerkstoff ist.

9. Kollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kollektor einstückig als Plattenkörper ausgebildet ist.