DE202015102294U1

DE202015102294U1 - Solar- und Konvektorsystemdach

Info

Publication number: DE202015102294U1
Application number: DE202015102294.8U
Authority: DE
Original assignee: KRAFTWERK SOLUTIONS GmbH; KRAFTWERK-SOLUTIONS GmbH
Current assignee: KRAFTWERK PERFORMANCE GMBH, DE
Priority date: 2015-05-05
Filing date: 2015-05-05
Publication date: 2015-05-15
Anticipated expiration: 2025-05-06

Abstract

Konvektorsystemdach, dadurch gekennzeichnet, daß es a) ein mit einem flüssigen Medium gefülltes und oberhalb der Dachabdichtung angebrachtes Konvektorsystem aufweist, b) über einen Anschluß an einen Latentwärmespeicher verfügt und c) eine mindestens ein Phovoltaikmodul umfassende Photovoltaikanlage aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Solar- und Konvektorsystemdach, das ein oberhalb einer Dachmembrane angebrachtes Konvektorsystem, einen Latentwärmespeicher und gegebenenfalls eine Photovoltaikanlage umfasst.
Im Zeitalter immer knapper werdender Ressourcen und dadurch bedingter, steigender Energiekosten, wird es zunehmend wichtiger, regenerative Energiequellen zu nutzen und auf hierfür geeignete Verfahren zur Energiegewinnung zu setzen. Neben anderen erneuerbaren Energien wie Wind, Wasser und Biomasse hat die Speicherung und Nutzung von Sonnenenergie über Solar- und Photovoltaikanlagen einen großen und stetig steigenden Anteil am zukünftigen Energiemix.
Der Bedarf an energetisch optimierten Gebäuden wächst kontinuierlich und mit beträchtlicher Geschwindigkeit. Waren vor einigen Jahren noch sogenannte "Niedrigenergiehäuser" das gewünschte Ziel, so orientiert sich der zukünftige Bedarf an Bauten, die den sogenannten „Plus-Energie-Standard“ des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) erfüllen, d. h., daß sie mehr Energie erzeugen müssen als sie verbrauchen. Diese Forderung ist auch der Energieeinsparverordnung (EnEV) 2015/16 zu entnehmen.
Wärmedämmsysteme für Dächer oder Häuserfassaden sind in der Bautechnik hinlänglich bekannt. Zur Wärmedämmung werden in der Regel Isolierstoffplatten aus unterschiedlichsten Materialien eingesetzt. Breite Verwendung finden in der Isoliertechnik Dämmstoffplatten aus Styropor, Polyethylenschäumen, Steinwolle oder auch Glasfasern. Daneben sind ökologisch unbedenkliche Dämmstoffe wie Schafwolle oder aber Altpapierflocken im Spritzverfahren insbesondere für die Dachstuhlwärmedämmung gebräuchlich.
All diesen Systemen ist jedoch gemein, daß sie rein passiv wirken und nicht in der Lage sind, einen nennenswerten Anteil der direkt eingestrahlten Solarenergie und der diffusen Wärmeenergie aus der Umgebung aufzunehmen und in technisch verwertbare Wärmeenergie zu verwandeln.
Bekannt sind weiterhin Dächer, die mit thermisch wirkenden Sonnenkollektoren belegt sind. Diese Anordnungen sind in der Lage, einen Teil der auftreffenden Strahlungsenergie der Sonne in Wärmeenergie auf einem heizungstechnisch nutzbaren Temperaturniveau umzuwandeln. Hierbei werden vorwiegend einfache Flachkollektoren, Vakuum-Flachkollektoren, seltener die in der Herstellung aufwendigeren Vakuum-Röhrenkollektoren mit hohen Wärmewirkungsgraden eingesetzt. Verwendung finden zum Teil auch einfache Sonnenkollektoren mit integriertem Warmwasserspeicher.
Weiterhin ist bekannt, Photovoltaikmodule auf Dächern zur Energiegewinnung einzusetzen. Problematisch ist hierbei jedoch, daß der größte Teil der auf Photovoltaikmodule eingestrahlten Sonnenenergie auf der Rückseite der Module als Strahlungswärme anfällt, was sowohl die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der PV-Module reduziert als auch zu einer insbesondere im Sommer unerwünschten Überhitzung des unter dem Dach liegenden Gebäudes führen und somit zusätzliche energieaufwendige Kühlung erforderlich machen kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine energieerzeugende Dachkonstruktion mit möglichst hoher Ausbeute zu schaffen, die die Nachteile des Standes der Technik vermeidet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Bereitstellung eines Konvektorsystemdaches, das dadurch gekennzeichnet ist, daß es

a) ein mit einem flüssigen Medium gefülltes und oberhalb der Dachabdichtung angebrachtes Konvektorsystem aufweist,
b) über einen Anschluß an einen Latentwärmespeicher verfügt und
c) eine mindestens ein Phovoltaikmodul umfassende Photovoltaikanlage aufweist.

Die Photovoltaikanlage befindet sich sinnvollerweise oberhalb der Dachmembran, um die Sonneneinstrahlung nutzen zu können.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform stellt der Latentwärmespeicher einen Niedertemperatur-Wärmespeicher, insbesondere einen sogenannten "Eisspeicher", dar. Als Niedertemperatur-Wärmespeicher wird ein Wärmespeicher verstanden, bei dem das Prinzip des Phasenübergangs fest-flüssig (Erstarren-Schmelzen) genutzt wird. Bei dem besonders bevorzugten Eisspeicher wird beispielsweise die beim Phasenübergang vom flüssigen Wasser zum festen Eis freiwerdende Wärme genutzt.
Vorzugsweise ist der Niedertemperatur-Wärmespeicher (Eisspeicher) ein Untergrund-Wärmespeicher. Ein solcher im Erdreich vergrabener Speicher muss aufgrund der geringen Speichertemperaturen nicht gedämmt werden, da kein nennenswerter Wärmeverlust an die Umgebung zu befürchten ist. Im Gegenteil, wird während der Phase der Entladung des Niedertemperatur-Wärmespeichers ein zusätzlicher Energieeintrag aus der Umgebung, dem Erdreich, in den Speicher stattfinden. Durch die Nutzung der Latentwärme beim Phasenübergang von Wasser zu Eis kann zudem in einem kompakten Volumen eine große Menge Energie gespeichert werden.
Das flüssige Trägermedium im Konvektorsystem wird durch nicht vorhandene Wärme sowie durch Wärme gespeist. Zum Beispiel durch

a) Direkte Sonneneinstrahlung auf die Dachmembrane
b) Strahlungswärme, welche bei der Produktion von Solarstrom freigesetzt wird
c) Atmosphärische Temperatur
d) Kälte aus dem Speicher
e) Wärme aus dem Speicher

Das erwärmte Medium kann die Energie über einen Wärmetauscher direkt an die Verbrauchstellen abgeben.
Die übrige Wärmeenergie wird im Sommer im „Eisspeicher“ eingelagert. In den Wintermonaten wird die gespeicherte Wärmeenergie über eine Wärmepumpe aus dem Eisspeicher in das Heiz- bzw. Brauchwassersystem abgerufen und verbraucht.
Zum Ende der Heizsaison ist dem Speicher so viel Wärme entzogen, dass sich das Wasser im Eisspeicher zu Eis bildet. Die Kälteenergie kann dann in den Sommermonaten zum Kühlen der Gebäude über das Heizungssystem oder zum Kühlen der Dachfläche genutzt werden. Die Kühlung der Dachfläche steigert die Effizienz der montierten PV-Anlage und senkt die Temperatur der darunter befindlichen Räume ab.
Bereits geringe Energiemengen welche durch die Photovoltaikanlage und durch die latente Wärme durch Einstrahlung auf die Dachmembran entstehen, führen dazu, dass das Eis im Eisspeicher wieder aufgetaut wird und die physikalischen Prozesse wieder erneuerbar sind einschließlich der Nutzung der Kristallisationsenergie, welche beim Wechsel des Aggregatszustandes von flüssig zu fest freigesetzt wird.
Extreme Winter mit starkem Schneefall haben in der Vergangenheit zu einigen Überlastungen und Einstürzen von Gebäuden geführt. Das erfindungsgemäße Systemdach kann vorteilhafterweise zur Gefahrenabwehr genutzt werden, in dem das Eis und der Schnee auf dem Dach durch die gespeicherte Wärmeenergie im Eisspeicher geschmolzen und das Dach dadurch entlastet werden.
Auch eignet sich das System um die vorhandenen PV-Module von Schnee und Eis zu befreien, damit diese auch im Winter Strom erzeugen können.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein aus einem PP-Rohr gefertigtes Register, welches sich in der Ebene oberhalb der Dacheindichtung befindet, an Knotenpunkten sowie Verbindungsstellen reversibel zusammengeführt und verwahrt.
Die Anzahl der Register berechnet sich aus dem Energiebedarf des Gebäudes und der Größe der Dachfläche sowie der Dimensionierung der Wärmepumpe, des Eisspeichers und der Verrohrung untereinander.
Entscheidend für die Leistung des erfindungsgemäßen Systemdaches ist, dessen Ausrichtung in Bezug auf die Himmelsrichtungen bzw. Sonneneinstrahlung.
Bevorzugtermaßen sind oberhalb der Dachhaut rohrartige Kanäle in relativ kleinem Abstand voneinander angeordnet. Die rohrartigen Kanäle sind in der Nähe ihrer Enden über Querrohre miteinander verbunden, die Querrohre stellen jeweils den Vor- und Rücklauf der Medien dar.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das oberhalb der Dachabdichtung angebrachte Konvektorsystem als Heiz- bzw. Kühlregister ausgebildet. Erfindungsgemäß besonders bevorzugt sind die von der aquatherm GmbH unter der Bezeichnung „aquatherm black system“ erhältlichen Register. Bei diesen handelt es sich um Register zum Heizen und/oder Kühlen von Räumen, die jeweils aus Kunststoff bestehende Verbundrohre mit einer Diffusions- bzw. Permeationsbarriereschicht gegenüber Sauerstoff umfassen. Die bevorzugt einsetzbaren Register ermöglichen einen hohen Wärmeübergang bei geringer Trägheit und sind kostengünstig herstellbar. Insbesondere wird durch die genannten Register sichergestellt, daß in die durch das Register strömende Flüssigkeit kein Sauerstoff eindringen kann, wodurch insbesondere Korrosionen in Heizungsanlagen vermieden werden.
Vorteilhafterweise werden für ein erfindungsgemäß einsetzbares Heiz- bzw. Kühlregister extrudierte Vierkantrohre benutzt, die eine Zwischenschicht aufweisen, die eine Barriere gegen die Diffusion von Sauerstoff durch das Verbundrohr bildet. Die Barriereschicht besteht dabei vorzugsweise aus Ethylenvinylalkohol (EVAL). Unabhängig hiervon sollte die Permeationsbarriereschicht über Haftvermittlerschichten sowohl mit der Außen- als auch mit der Innenschicht verbunden werden, die aus PP, vorzugsweise aus PP-Random-Copolymerisat bestehen. Dadurch, dass die Rohre des Heizregisters als Vierkantrohre ausgebildet sind, ergibt sich unter anderem der Vorteil, dass die Rohre eine hohe Stabilität aufweisen.
Ein derartiger Aufbau eines Konvektorsystemdachs zielt darauf ab, dass es nicht notwendig ist, Spitzenwerte beim Wirkungsgrad von Konvektorsystemen bei Sonnenschein zu erreichen, sondern dass es vielmehr günstiger ist, unter Verzicht auf maximalen Wirkungsgrad an trüben Tagen aus der Atmosphäre Energie entziehen zu können.
Das beschriebene Konvektorsystem soll also nicht nur an Sonnentagen den Wärmeträger ausreichend aufheizen, sondern vielmehr auch an trüben Tagen das Temperaurniveau im Eispeicher anheben, je geringer die Temperaturdifferenz des Eisspeichers zur Nutztemperatur ist, umso effektiver arbeitet die Wärmepumpe.
Das erfindungsgemäße System verfolgt zwei Ziele:

Ziel 1: Die Gewinnung von elektrischer Energie (durch die Photovoltaikanlage) a für den Eigenverbrauch, b für die Direkteinspeisung sowie
Ziel 2: Erzeugung von Wärme respektive Kälte zur Verwendung in dem zuvor beschrieben Eisspeicher, mit den dazugehörigen Komponenten zu dem Zweck, in den sonnenreichen Sommermonaten die Sonnenenergie direkt zu nutzen und den Überschuss zu speichern, um diese Energie dann in den sonnenschwachen Monaten zu nutzen.

Die gespeicherte Kälte der Wintermonate wird vorzugsweise zur Kühlung des Gebäudes im Sommer genutzt.
In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden auf den klassischen Aufbau eines Flachdaches Dampfsperre, Isolierung, Dachmembran sowie spezielle Aluminiumprofile verlegt, die das als Heiz- bzw. Kühlregister ausgebildete Konvektorsystem aufnehmen. Hierüber werden weitere Aluminiumprofile angebracht, auf denen Photovoltaikmodule oder solarthermische Kollektoren, gewünschtenfalls auch in gemischter Bestückung, montiert werden.
Besonders bevorzugtermaßen werden das Konvektorsystem sowie die Photovoltaikmodule und/oder solarthermische Kollektoren parallel zur Dachfläche ( .) oder schräg aufgeständert ( bis 4), wie in der U 20 2013 100 874.5 der Anmelderin beschrieben, auf die hiermit in vollem Umfang Bezug genommen wird.
Die Register werden im Sammelrohr (Vorlauf und Rücklauf) angeschlossen, ähnlich einer Flächenheizung. Das System ist komplett in das Dach integriert, die Begehbarkeit bleibt vollständig erhalten und zum anderen werden dabei Schwachstellen durch Dachdurchdringungen vermieden. Das gesamte Dach steht gewünschtenfalls für den Einsatz von Photovoltaik zur Verfügung.
Die für Anordnungen nach dem Stand der Technik problematische Tatsache, daß die auf die Photovoltaikmodule eingestrahlte Sonnenenergie größtenteils auf der Rückseite der Module als Strahlungswärme anfällt, wird durch die vorliegende Erfindung vorteilhaft genutzt. Der Abtransport der Strahlungswärme sorgt somit für eine höhere Effizienz der Photovoltaikmodule. Außerdem können grundsätzlich alle Arten von Photovoltaikmodulen eingesetzt werden, z. B. Dickschichtmodule, gerahmte Module, Dünnschichtmodule, beliebige Größen etc.
Das Medium im Konvektorsystem nimmt die Wärmeenergie der Sonne auf und gibt diese vorzugsweise mit Hilfe einer temperaturgesteuerten Zirkulationspumpe und einem Wärmetauscher an den Eisspeicher ab. Bei ausreichend hohem Temperaturniveau wird die Wärmeenergie mittels eines Dreiwegeventils direkt an einem Pufferspeicher abgegeben. Bei dem Medium (Sole) handelt es sich bevorzugtermaßen um ein Wasser-Propylenglykol-Flüssigkeitsgemisch, welches den Gefrierpunkt des Wassers absenkt und den Siedepunkt anhebt.
Über eine Wärmepumpe wird die Energie des Eisspeichers an den Pufferspeicher zur Brauchwassernutzung oder direkt an das Heizungssystem abgegeben.
Eine zentrale Steuereinheit lässt eine kundenspezifische Einstellung der Aktoren und Sensoren, so wie eine Überwachung der Anlage zu. Die Anlage kann in den Modi Winterbetrieb (heizen) oder Sommerbetrieb (kühlen) betrieben werden. Der Komfort einer bestehenden Heizung bleibt vollständig erhalten. Der Schmelzvorgang kann beispielsweise bei drohender Überlastung des Daches durch Schnee und Eis, über einen Wahlschalter aktiviert werden.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehenden Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen, beispielsweise hinsichtlich unterschiedlicher Aufständerungswinkel, denkbar, die von dem erfindungsgemäßen Gedanken Gebrauch machen und deshalb ebenfalls in den Schutzbereich fallen.
Bezugszeichenliste

1: Solarprofil
2: Basisprofil
3: Photovoltaikmodul (PV-Modul)
4: Dachabdichtung
5: Register

Verzeichnis der Abbildungen (Figuren):
.: Beispielhafte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systemdaches; parallel zur Dachfläche.
.: Beispielhafte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systemdaches; Schräge Aufständerung zweier einander gegenüberliegender Module.
.: Beispielhafte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systemdaches; Schräge Aufständerung eines Moduls.
.: Beispielhafte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systemdaches; Schräge Aufständerung eines Moduls.

Claims

Konvektorsystemdach, dadurch gekennzeichnet, daß es a) ein mit einem flüssigen Medium gefülltes und oberhalb der Dachabdichtung angebrachtes Konvektorsystem aufweist, b) über einen Anschluß an einen Latentwärmespeicher verfügt und c) eine mindestens ein Phovoltaikmodul umfassende Photovoltaikanlage aufweist.
Konvektorsystemdach nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Latentwäremespeicher ein Niedertemperatur-Wärmespeicher, insbesondere ein Eisspeicher ist.
Konvektorsystemdach nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Niedertemperatur-Wärmespeicher ein Untergrund-Wärmespeicher, insbesondere ein im Erdreich vergrabener Eisspeicher ist.
Konvektorsystemdach nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem flüssigen Medium um ein Wasser-Propylenglykol-Flüssigkeitsgemisch handelt.
Konvektorsystemdach nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das oberhalb der Dachabdichtung angebrachte Konvektorsystem als Heiz- bzw. Kühlregister ausgebildet ist.
Konvektorsystemdach nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Konvektorsystem sowie die Photovoltaikmodule parallel zur Dachfläche oder schräg aufgeständert werden.
Verwendung eines Konvektorsystemdaches nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Abschmelzen von Eis und Schnee auf dem Dach durch die im Eisspeicher gespeicherte Wärme und dadurch zur Gefahrenabwehr.
Verwendung eines Konvektorsystemdaches nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Abschmelzen von Eis und Schnee auf Photovoltaikmodulen, damit diese auch im Winter Strom erzeugen können.