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Die Erfindung betrifft eine Solarthermieanordnung für Profilglaselemente.
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Der Stand der Technik beschreibt vielfältige Möglichkeiten zur Gewinnung von Wärme aus der Sonnenstrahlung. Prinzipiell lassen sich die Solarthermie-Module in zwei Kategorien einteilen. Zum einen in Einzelmodule, montiert auf Dächern, Fassaden oder Aufstellelementen und zum anderen als integrierte Elemente in Fenstern, Fassaden usw. Nachteilig an der Lösung mit separaten Kollektoren ist, dass zusätzlich zu bereits vorhanden Bauelementen, wie beispielsweise Fenstern, Türen, Fassaden- und Dachelementen mit dem Solarelement ein weiteres, das Gebäudebild veränderndes, Element hinzukommt, welches zumeist architektonisch negativ ins Gesamtbild fällt.
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Weiterhin ist es aus dem Stand der Technik bekannt, dass ein Rohrleitungssystem mit einem Fluid als Wärmeträgermedium durchströmt wird. Die Abschnitte des Rohrleitungssystems, die mäanderförmig durch den Kollektor laufen, nehmen die solare Strahlungswärme auf. Weitere Abschnitte dienen dem Transport des Wärmeträgermediums zu einem Wärmetauscher. Als nachteilig ist der große Fluidkreislauf anzusehen. Es müssen alle Elemente des Fluidkreislaufs einen ausreichend dimensionierten Rohrleitungsquerschnitt aufweisen, um Druckverluste zu reduzieren und einen ausreichenden Massestrom des Wärmeträgermediums zu gewährleisten.
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Es ist dem Grunde nach beispielsweise aus
DE 200 16 216 U bekannt, den Innenraum einer Profilglasanordnung für eine solare Wärmegewinnung zu nutzen. Hierbei werden langgestreckte streifenförmige Einzelkollektoren verwandt, welche mit zwei Rohrleitungen Kollektorstreifen für ein Wärmetauschermedium versehen sind. Nachteilig sind hierbei insbesondere die aufwändige hydraulische Führung des Wärmeträgermediums sowie der hohe Montageaufwand durch die Vielzahl der das Wärmeträgermedium führenden Kollektorstreifen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lösung zur solaren Wärmegewinnung für ein Profilglas aufzuzeigen, die einen hohen Wirkungsgrad aufweist, einfach und kostengünstig herzustellen und zu installieren ist sowie eine hohe Variabilität von Wärmegewinnung und Lichtdurchlässigkeit des Profilglases ermöglicht.
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Die Aufgabe wird durch die im Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die erfindungsgemäße Solarthermieanordnung weist als Grundkomponenten ein Profilglas, ein Wärmerohr und einen Wärmeträgerkreislauf auf.
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Das Profilglas weist eine äußere und eine innere Halbschale auf. Die Halbschalen bilden einen vertikal längsgestreckten Profilglashohlraum aus. Das Profilglas dient als lichtdurchlässiges Fassadenelement.
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Durch das wechselseitige Aneinanderreihen der U-förmigen Halbschalen des Profilglases entstehen Hohlräume, die nach außen abgeschlossen sind. Das Profilglas ist beispielsweise transluzent ausgebildet. Das Sonnenlicht durchdringt zunächst die äußere und dann die innere Halbschale. Daher wird der Profilglashohlraum mit Sonnenlicht einschließlich des solaren Wärmestrahlungsanteils beaufschlagt.
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Erfindungsgemäß weist die Solarthermieanordnung zudem ein Wärmerohr auf, welches zur Aufnahme der Wärmestrahlung in dem Profilglashohlraum angeordnet ist. Das Wärmerohr wirkt als sogenannte Heatpipe. Das Wärmerohr weist einen langgestreckten Verdampferabschnitt auf, der ausgebildet ist, eine solare Wärmestrahlung aufzunehmen und ein Arbeitsmedium unter Wärmeaufnahme zu verdampfen. Das nun gasförmige Arbeitsmedium strömt in den Kondensatorabschnitt. Der Kondensatorabschnitt ist ausgebildet, das Arbeitsmedium unter Wärmeabgabe zu kondensieren und die dabei frei werdende Kondensationswärme als eine Ertragswärme bereitzustellen. Das nach der Kondensation wieder flüssige Arbeitsmedium strömt in den Verdampferabschnitt zurück und kann erneut verdampft werden.
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Es bildet sich ein innerer Kreislauf. Durch die Phasenübergänge des Arbeitsmediums von flüssig in gasförmig im Verdampferabschnitt und von gasförmig in flüssig im Kondensatorabschnitt wird die latente Wärme genutzt und so eine hohe Übertragungsrate erreicht. Zugleich kann durch Auswahl eines geeigneten Arbeitsmediums die gewünschte Phasenwechseltemperatur eingestellt werden. Vorzugsweise weist die Solarthermieanordnung eine Vielzahl von Wärmerohren auf, wobei dann jeweils einem Profilglashohlkörper ein Wärmerohr zugeordnet ist. Einem Profilglashohlkörper können auch zwei oder mehrere Wärmerohre zugeordnet sein.
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Die Solarthermieanordnung weist ferner einen Wärmeträgerkreislauf auf. Der Wärmeträgerkreislauf führt ein Wärmeträgermedium, beispielsweise Wasser oder ein Öl. Hierbei weist der erfindungsgemäße Wärmeträgerkreislauf eine thermische Kopplungseinrichtung auf, die mit dem Kondensatorabschnitt des Wärmerohres thermisch verbunden ist. Die thermische Kopplungseinrichtung ist zur Aufnahme der Ertragswärme von dem Kondensatorabschnitt ausgebildet. Die Kopplungseinrichtung dient als Wärmeübertrager und überträgt die Ertragswärme an das Wärmeträgermedium des Wärmeträgerkreislaufs. Dadurch kann die Ertragswärme abtransportiert und weiter genutzt werden, beispielsweise zum Beheizen von Räumen, zur Warmwasserbereitung oder als Prozesswärme für industrielle Anwendungen. Die Kopplungseinrichtung kann dabei beispielsweise so ausgebildet sein, dass das Wärmeträgermedium die Außenwandung des Kondensatorabschnitts direkt umspült oder dass Abschnitte der Kopplungseinrichtung in einem flächigen Berührungskontakt zu der Außenwandung des Kondensatorabschnitt stehen und so durch Wärmeleitung die Ertragswärme aufnehmen und an das Wärmeträgermedium weiterleiten.
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Die-Solarthermieanordnung ist erfindungsgemäß insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass der langgesteckte Verdampferabschnitt zumindest abschnittsweise in dem Profilglashohlraum angeordnet ist. Die Lage und Größe des Verdampferabschnitts ist so dimensioniert, dass ein gewünschtes Maß der solaren Wärmestrahlung darauf trifft und genutzt werden kann. Der Verdampferabschnitt ist vorzugsweise vollständig im Profilglashohlraum der Profilglasanordnung angeordnet.
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Der Kondensatorabschnitt und die thermische Kopplungseinrichtung sind oberhalb des Verdampferabschnitts und zumindest teilweise außerhalb des Profilglashohlraums angeordnet. Vorzugsweise ist der Kondensatorabschnitt vollständig außerhalb des Profilglashohlraums angeordnet. Die Verbindung zum Wärmekreislauf kann so verdeckt im Dachbereich oder im Sturz über den Profilglaselementen erfolgen.
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Die erfindungsgemäße Solarthermieanordnung weist insbesondere nachfolgende Vorteile auf:
- Durch die Profilglasausbildung ist eine senkrechte Einbauposition des Wärmerohrs automatisch und ohne erforderliche Zusatzmaßnahmen gegeben. Durch die senkrechte Einbauposition funktioniert das Wärmerohr allein schwerkraftbedingt und kann mit einem hohen Wirkungsgrad betrieben werden.
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Als weiterer Vorteil kann im Gegensatz zum Stand der Technik der Profilglasinnenraum von einem Wärmeträgermedium freigehalten werden. Es handelt sich um eine trockene thermische Ankopplung. Dies vereinfacht die Installation und reduziert die Wahrscheinlichkeit von Defekten und etwaigen Wartungseingriffen
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Durch die trockene Ankopplung können vorteilhaft die Leitungswege für das Wärmeträgermedium verkürzt und vorzugsweise mit größeren Querschnitten versehen werden. Dies verringert die hydraulischen Druckverluste und den energetischen und konstruktiven Aufwand für die Umwälzung des Wärmeträgermediums in dem Wärmeträgerkreislauf.
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Es liegen mit dem inneren Kreislauf im Wärmerohr und dem Wärmeträgerkreislauf zwei getrennte Kreisläufe vor. Durch die zwei thermisch gekoppelten aber fluidisch getrennten Kreisläufe kann das Arbeitsmedium je nach gewünschter Temperatur der Ertragswärme optimiert sein und eine hierauf abgestimmte Verdampfungstemperatur aufweisen. So lässt sich die Ertragswärme wesentlich steigern und die Temperatur des Wärmeträgerkreislaufs einfacher regeln.
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Die aufnehmbare Wärmemenge und die Lichtdurchlässigkeit der Solarthermieanordnung lassen sich vorteilhaft durch mehrere, und zudem auch kombinierbare Maßnahmen je nach Anwendungsanforderung einstellen. Dies kann beispielsweise über die Einstecktiefe des Verdampferabschnitts, die Anordnung von wärmeleitenden flächigen Absorberkörpern am Verdampferabschnitt oder einen unterschiedlichen Absorbtionsgrad beziehungsweise Reflektionsgrad der Oberfläche des Verdampferabschnitts erreichen.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, dass durch die vertikale Anordnung des Wärmerohres eine einfache Montage möglich ist, indem das Wärmerohr in die Profilglaskammer einfach von oben eingeführt und dann hängend, vorzugsweise versehen mit Abstandshaltern zur zuverlässigen lateralen Beabstandung zu den Wandungen der Halbschalen, angeordnet wird.
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Zudem ist es ein Vorteil der erfindungsgemäßen Solarthermieanordnung, dass das empfindliche Wärmerohr durch die Anordnung in dem Profilglashohlraum durch das Profilglas ohne zusätzliche Maßnahmen zuverlässig mechanisch geschützt ist.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Solarthermieanordnung ist die thermische Kopplungseinrichtung ausgebildet, die Ertragswärme durch Wärmeleitung und ohne Kontakt des Kondensatorabschnitts mit einem Wärmeträgermedium des Wärmekreislaufs aufzunehmen.
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Das Wärmerohr ist gemäß dieser Weiterbildung lediglich über eine Wärmeleitung trocken an den Wärmeträgerkreislauf angebunden. Vorzugsweise weist die Kopplungseinrichtung hierbei Formabschnitte auf, die rückseitig von dem Wärmeträgermedium umspült werden und flächig auf einen korrespondierenden Formabschnitt der Oberfläche des Kondensatorabschnitts des Wärmerohrs aufgepresst werden. Durch an sich bekannte Mittel wie eine Wärmeleitpaste kann der Wärmeübergang zusätzlich verbessert werden
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Der Vorteil dieser Weiterbildung besteht in dem geringen Installationsaufwand, der geringen Leckagewahrscheinlichkeit, der einfachen Auswechselbarkeit eines Wärmerohrs sowie einer Aufrechterhaltung der Betriebsfähigkeit bei einer Beschädigung einzelner Wärmerohre im Falle der typischen Anordnung mit einer Vielzahl von Wärmerohren.
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In einer anderen vorteilhaften Weiterbildung weist die innere Halbschale des Profilbauglases eine wärmereflektierende Oberfläche auf.
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Zum ersten kann so auch seitlich schräg einfallende Wärmestrahlung genutzt werden, indem diese nach der Reflektion von der Rückseite des Verdampferabschnitts absorbiert wird.
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Zudem kann die Weiterbildung besonders vorteilhaft sein, wenn neben der Wärmereflektion eine hohe Transmissionsrate für sichtbares Licht besteht und perforierte Absorberflächen an dem Verdampferabschnitt vorgesehen werden. Dies ermöglicht eine Reflektion des Wärmestrahlungsanteils des Sonnenlichts, dass die Perforationsöffnungen des Verdampferabschnitts durchlaufen hat; zugleich kann der sichtbare Lichtanteil des Sonnenlichts das Profilglas durchdringen und steht beispielsweise im Inneren eines Gebäudes zur Verfügung. Die reflektierte Wärmestrahlung trifft rückseitig auf den Verdampferabschnitt und erhöht die Ausbeute der Wärmestrahlung und somit auch die Effektivität der Solarthermieanordnung.
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In einer anderen vorteilhaften Weiterbildung weist das Wärmerohr einen flächigen Absorberkörper auf. Dieser ist in dem Profilglashohlraum angeordnet und mit dem Verdampferabschnitt thermisch teilend verbunden. Desweiteren ist der Absorberkörper ausgebildet, die solare Wärmestrahlung aufzunehmen und an den Verdampferabschnitt weiterzuleiten.
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Vorzugsweise handelt es sich bei dem Absorberkörper um eine flächige seitliche Fortsetzung des Wärmerohrs in Form eines Wärmeleitblechs. Der Absorberkörper kann monolithisch zu dem Wärmerohr ausgebildet sein. Möglich ist auch eine Ausbildung als ein Blech mit einem U-förmigen Mittelabschnitt, in das der Verdampferabschnitt eingeklemmt ist, so dass sich seitliche Fahnen als absorptionswirksame Flächen bilden.
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Die wirksame Fläche des Verdampferabschnitts kann wesentlich erhöht werden. Ferner kann der Absorberkörper dadurch einfach an den vorhandenen Profilglashohlraum angepasst werden. So kann die Breite der Absorberkörper je nach Breite der vorhandenen Profilglashohlräume ausgebildet werden. Als Meterware vorgefertigt, können die Absorberkörper dann an die vom Bauwerk abhängige Höhe der Profilglashohlräume angepasst werden. So entsteht ein flexibles und gut adaptierbares Bauprodukte-System. Durch eine um die Vertikalachse schräge Anordnung im Profil kann je nach Ausrichtung des Profilglaselements zur Sonne der Wärmeertrag erhöht werden. Alternativ kann beispielsweise zielgerichtet entweder die Morgensonne oder die Abendsonne genutzt werden.
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In einer anderen vorteilhaften Weiterbildung ist der Absorberkörper teildurchlässig ausgebildet.
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Als teildurchlässig wird insbesondere verstanden, dass der Absorberkörper Ausnehmungen in Form von Lochungen, Lamellen, Perforationen oder andere Minderungen der wirksamen Absorberfläche aufweist.
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Das Licht kann so teilweise durch den Absorberkörper durchscheinen. Somit kann noch Licht in das Gebäude einfallen und der Tageslichtanteil ist ausreichend gewährleistet. Vorteilhaft kann der Lichtdurchtritt beziehungsweise die Verdunkelung je nach Anwendungsanforderung in einfacher Weise eingestellt werden. Beispielsweise können sowohl örtlich begrenzte Lichtdurchtrittszonen oder Abschattungszonen als auch gesamtflächig graduelle Verdunklungen - insbesondere mittels feiner Perforation - eingestellt werden.
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In einer anderen vorteilhaften Weiterbildung sind die Absorberkörper positionsveränderlich ausgebildet. So können die Absorberfläche und somit die aufgenommene Wärmemenge verändert werden. Zugleich kann die durchtretende Lichtmenge verändert werden.
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Als positionsveränderlich wird verstanden, dass durch bewegliche Abschnitte oder Lageveränderungen des Absorberkörpers insgesamt die wirksame Absorberfläche verändert wird, wobei der Verdampferabschnitt dabei sowohl ortsfest sein als auch an der Lageveränderung teilnehmen kann. Eingeschlossen sind auch Veränderungen der Winkelstellung gegenüber der solaren Einstrahlungsrichtung.
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Ist der Absorberkörper wie in einem vorhergehenden Anspruch als teildurchlässiger Gitterkörper ausgebildet, ergibt sich beispielsweise die Möglichkeit einer Bauform als verschiebbare Kulisse. Die lichtdurchlässigen rechteckförmigen Öffnungen lassen sich so in der Größe ändern. Somit lässt sich die aufgenommene Wärmemenge und der Anteil des durchscheinenden Lichts regeln.
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In einer weiteren hierauf aufbauenden vorteilhaften Weiterbildung ist der Absorberkörper um eine Hochachse verschwenkbar ausgebildet.
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Der Absorberkörper kann somit die solare Strahlung hineingedreht werden, indem die Absorberfläche quer zur Strahlungsrichtung ausgerichtet wird. Umgekehrt kann er aus der solaren Strahlung herausgedreht werden, indem die Absorberfläche parallel zu der Strahlungsrichtung ausgerichtet wird. Ferner sind Zwischenstellungen möglich. Aus diese Weise kann vorteilhaft eine dem Grunde nach stufenlose Einstellung der Leistung erfolgen. Zugleich wird umgekehrt der Lichtdurchtritt eingestellt. Insbesondere bei einer trockenen Anbindung der Kondensatorabschnitte in der Kopplungseinrichtung des Wärmekreislaufs kann das Wärmerohr insgesamt mit daran angeordnetem Absorberkörper verdreht werden. Vorzugsweise ist ein Stellmotor vorgesehen.
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Bei einer Variante dieser Ausbildung ist die Rückseite des Absorberkörpers zusätzlich reflektierend ausgebildet.
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Somit lässt sich zum einen durch das Verdrehen des Absoberkörpers um die Hochachse der Lichteinfall und die aufgenommene Wärmemenge steuern. Zum anderen lässt sich aber auch durch ein Verdrehen, um einen Drehwinkel von 180°, das einfallende Sonnenlicht an der reflektierenden Fläche zurückwerfen. Der Wärmeeintrag in das Wärmerohr ist gering. Zugleich wird eine Verschattung und somit eine Reduzierung des Wärmeeintrags in das Gebäude erreicht.
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Die Erfindung wird als Ausführungsbeispiel anhand von
- 1 schematische Schrägbild-Darstellung einer Solarthermieanordnung
- 2 schematische Schrägbild-Darstellung einer Solarthermieanordnung mit perforiertem Absorberkörper
- 3 schematische Schrägbild-Darstellung einer Solarthermieanordnung mit verdrehbarem Absorberkörper
näher erläutert.
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Die 1 zeigt in einer schematischen Schrägbild-Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel der Solarthermieanordnung.
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In dem Profilkörperhohlraum 4.3 eines Profilglases 1 ist das Wärmerohr 2 angeordnet. In dem Ausführungsbeispiel ist die Solarthermieanordnung durch eine Mehrzahl von Wärmerohren 2 in einer Mehrzahl von Profilkörperhohlräumen 4.3 gebildet.
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An die Wärmerohre 2 angeschlossen ist der Wärmeträgerkreislauf 3, der das Wärmeträgermedium führt. Die solare Wärmestrahlung durchdringt die äußere Halbschale 4.2 und gelangt so in den Profilkörperhohlraum 4.3 und trifft dort auf den Verdampferabschnitt 5 des Wärmerohres 2. Hierbei fällt die Wärmestrahlung insbesondere auf den Absorberkörper 8 des Wärmerohrs 2. Der Absorberkörper 8 ist durch zwei fest mit dem Verdampferabschnitt 5 verbundene Flügel gebildet und besteht aus einem gut wärmeleitfähigen Material. Durch die solare Wärmestrahlung erwärmt sich der Absorberkörper 8 und leitet die Wärme an den Verdampferabschnitt 5 ab, der ein Arbeitsmedium verdampft, das vom Wärmeträgerkreislauf 3 stofflich getrennt ist. Das verdampfte Arbeitsmedium steigt in dem Wärmerohr 2 auf und gelangt in den Kondensatorabschnitt 6, an dem eine thermische Kopplungseinrichtung 7 zum Wärmeträgerkreislauf 3 befestigt ist. Hier wird die Wärme aus dem verdampften Arbeitsmedium als die Ertragswärme an das Wärmeträgermedium des Wärmeträgerkreislaufs 3 übertragen. Das verdampfte Arbeitsmedium kondensiert unter Abgabe der Kondensationswärme und sinkt im flüssigen Aggregatzustand im Wärmerohr 2 wieder in den Verdampferabschnitt 5 des Wärmerohrs 2 ab um dort erneut erwärmt und verdampft zu werden, so dass sich der innere Kreislauf schließt.
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Das in 2 dargestellte weitere Ausführungsbeispiel entspricht in seinem Grundaufbau dem Ausführungsbeispiel nach 1, so das zunächst auf die dortigen Beschreibungsabschnitte Bezug genommen wird.
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In 2 sind ferner die Absorberkörper 8 schlitzförmig perforiert und lassen so einen Teil der solaren Strahlung und somit des sichtbaren Lichts bis zur inneren Halbschale und durch diese in den Innenraum eines Gebäudes durchdringen. Während die äußere Halbschale 4.2 sowohl für sichtbares Licht als auch für Wärmestrahlung eine hohe Transmissionsrate aufweist, ist die innere Halbschale 4.1 selektiv für Wärmestrahlung reflektierend aber für sichtbares Licht durchlässig ausgebildet, so dass der Wärmestrahlungsanteil der durch die schlitzförmige Perforation durchgedrungenen solaren Strahlung reflektiert wird. Ein hoher Anteil der reflektierten Wärmestrahlung trifft auf den Absorberkörper 8 an dessen Rückseite auf und erwärmt diesen zusätzlich.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. Auch dieses entspricht in seinem Grundaufbau dem Ausführungsbeispiel nach 1, so dass zunächst wieder auf die dortigen Beschreibungsabschnitte Bezug genommen wird.
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Gemäß 3 sind die Absorberkörper 8, die fest mit dem jeweiligen Wärmerohr 2 verbunden sind, um die Hohlachse drehbar angeordnet. Hierfür sind die Kondensatorabschnitte 6 rotationssymmetrisch geformt und über einen Stellantrieb 9 in der jeweiligen thermischen Kopplungseinrichtung 7 verdrehbar. Die Kondensatorabschnitte 6 bleiben dabei unabhängig von deren Winkelstellung in einem thermischen Übertragungskontakt zu der jeweiligen thermischen Kopplungseinrichtung 7. Gemäß 3 sind die einzelnen Wärmerohre 2 mit deren Absorberkörpern 8 einzeln verdrehbar, so dass gezielt gewünschte Innenraumzonen stärker beleuchtet oder abgedunkelt werden können. Es ist auch möglich, die Verdrehung für alle Wärmerohre 2 einheitlich vorzunehmen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Profilglas
- 2
- Wärmerohr
- 3
- Wärmeträgerkreislauf
- 4.1
- innere Halbschale
- 4.2
- äußere Halbschale
- 4.3
- Profilglashohlraum
- 5
- Verdampferabschnitt
- 6
- Kondensatorabschnitt
- 7
- thermische Kopplungseinrichtung
- 8
- Absorberkörper
- 9
- Stellantrieb
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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