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Wärmeisolierendes, für Sonnenstrahlung transparentes
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System Die Erfindung bezieht sich auf ein wärmeisolierendes, in sich
abgeschlossenes System mit für Sonnenstrahlung transparenten Wänden und mit einem
gasgefüllten Hohlraum, wobei der gasgefüllte Hohlraum durch mindestens eine für
Sonnenstrahlung transparente, gasundurchlässige Zwischenwand in Teilräume unterteilt
ist und wobei eine oder mehrere der Wände mit einer das Licht durchlassenden, die
Wärmestrahlung aber reflektierenden Schicht versehen ist (sind).
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Derartige Isoliersysteme können Anwendung finden für Verglasungen
im Häuserbau, als Fenster für Heiz- bzw. Kühlvorrichtungen oder z.B. auch als Isolierfenster
für Solarkollektoren.
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Am Beispiel eines Doppelglasfensters soll der Vorgang des Wärmetransportes
bei derartigen Systemen veranschaulicht werden
Die beiden Scheiben
eines Doppelglasfensters nehmen ungefähr die Temperatur der Luft des Außen- bzw.
Innenraumes aufgrund der stets mehr oder weniger stark vorhandenen Konvektion und
des Strahlungsaustausches an.
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Der eigentliche Wärmewiderstand des Fensters baut sich im Bereich
zwischen den Scheiben auf. Ist der Abstand der Scheiben klein, wird Konvektion zwischen
den Scheiben unterdrückt, es stellt sich aber ein Wärmetransport durch Wärmeleitung
und -strahlung ein.
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Wird der Abstand der Scheiben so groß gemacht, daß die Wärmeleitung
sehr gering wird, treten Wärmeverluste durch Konvektion zwischen den Scheiben auf.
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Die Verluste durch Wärmeleitung zwischen den Scheiben können durch
Gase, die eine geringere Wärmeübertragung (Leitung + Konvektion) als Luft bewirken,
bedeutend herabgesetzt werden; diese Gasfüllungen können z.B. aus Edelgasen bestehen.
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Parallel zu der für das Füllgas spezifischen Wärmeübertragung wirkt
die direkt zwischen den beiden einander zugekehrten Glasoberflächen erfolgende Wärmeübertragung
durch Wärmestrahlung, da Glas sich wie ein schwarzer Strahler verhält. Um die Wärmeübertragung
durch Strahlung zu verringern, muß mindestens eine der beiden Glasscheiben, die
einander gegenüberstehen, mit einer Wärme strahlung reflektierenden Schicht aus
Metallen oder Metalloxiden versehen sein; derartige Beschichtungen sind z.B.
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bekannt aus DT-AS 1 509 721.
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Trotz dieser bekannten Maßnahmen ist die Wärmedämmung bei den bekannten
für Sonnenstrahlung transparenten Isoliersystemen noch nicht effektiv genug, wenn
an sie besondere Anforderungen gestellt werden; es ist hier z.B. gedacht an Isolierfenster
für Solarkollektoren und an Isolierfenster für Häuser, die eine derartige Wärmeisolierung
aufweisen sollen, daß sie eine
Zufuhr externer Energie zu Heizzwecken
nicht benötigen (für derartige Häuser hat sich der Begriff "Null-Energie-Haus" eingebürgert).
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, wärmeisolierende, für Sonnenstrahlung
transparente Systeme zu schaffen, die Wärmeverluste wesentlich effektiver als die
bisher bekannten Systeme verhindern und geringere Wärmedurchgangszahlen als die
bekannten Systeme aufweisen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest eine
der Zwischenwände für Wärmestrahlung durchlässig ist.
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Vorteilhafte weitere Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
beschrieben.
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Der Ausbildung der Erfindung gemäß Anspruch 6 liegt folgende Erkenntnis
zugrunde: Wie einleitend schon erwähnt wurde, ist der Wärmetransport zwischen zwei
Wänden eines geschlossenen, gasgefüllten Systems mit unterschiedlichen Außentemperaturen
abhängig sowohl von der Wärmeleitung und -strahlung als auch von der Konvektion
zwischen den beiden Wänden des Systems. Die Werte für die Wärmeleitung verhalten
sich dabei zum Abstand der beiden Wände umgekehrt proportional und direkt proportional
in bezug auf die Konvektion. Das Minimum des Wertes für den Wärmedurchgang ist also
an einem mittleren Abstand der beiden Wände des Systems gebunden. Da das Minimum
des Wertes für den Wärmedurchgang temperaturabhängig ist, ist der optimale Abstand
der beiden Wände, also die Dicke der isolierenden Gasschicht zwischen diesen beiden
Wänden, der absoluten mittleren Temperatur des Systems umgekehrt proportional. Vorteilhaft
werden deshalb die Teilräume, die an die Seite mit höherem Wärmepotential - Warmseite
-angrenzen, kleiner gemacht als an der Kaltseite des Systems.
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Eine Ausbildung der Erfindung gemäß Anspruch 8 ist für die Anwendung
als Fensterverglasung für Solarkollektoren gedacht.
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Die Vorteile des erfindungsgemäßen wärmeisolierenden Systems werden
deutlich an einem Vergleich der Wärmedurchgangszahlen k in W/m2K für z.B. Fensterverglasungen
gemäß dem Stand der Technik und gemäß der Erfindung: einfaches Fenster aus Glas
k > 5,8 Doppelglasfenster mit luftgefülltem Innenraum k FJ 3,3 Doppelglasfenster
mit luftgefülltem Innenraum k CJ 1,5 und einer Wärmestrahlung reflektierenden Schicht
wärmeisolierendes System gemäß der Erfindung k # 0,54 - 1,1 als Fensterverglasung
für Gebäude Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß die wärmeisolierenden Systeme
gemäß der Erfindung auf außerordentlich wirtschaftliche Weise hergestellt werden
können.
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Anhand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben
und ihre Wirkungsweise erläutert. Es zeigen die Fig. 1 einen Schnitt durch ein Isoliersystem
nach der Erfindung mit einer Zwischenwand, die sowohl für Sonnenstrahlung als auch
für Wärme strahlung transparent ist, Fig. 2a eine graphische Darstellung des Wärmedurchgangs
k über #T für ein Isoliersystem gemäß Fig. 1, Fig. 2b eine graphische Darstellung
des Wärmedurchgangs k über AT für ein Isoliersystem, in welchem eine Zwischenwand
angebracht ist, die für Wärmestrahlung nicht transparent ist, als Vergleich zur
Kurve gemäß Fig. 2a, Fig. 3 - 11 Schnitte durch Isoliersysteme nach der Erfindung
in unterschiedlichen Ausführungsformen, Fig. 12 + 13 Schnitte durch Isoliersysteme
nach der Erfindung zur Verwendung als Fenster für Solarkollektoren.
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In allen Ausführungsbeispielen sind die Bezugszeichen der Zwischenwände
nach ihrer Wirkungsweise gewählt worden. So ist eine Wand 1 stets eine Wand, die
für Sonnenstrahlung transparent, für Wärmestrahlung dagegen nicht transparent ist.
Diese Eigenschaft trifft z.B. für Glas oder für glasartigen Kunststoff mit einer
Wandstärke > 0,5 mm zu.
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Hingegen ist eine Wand 2 stets eine Wand, die sowohl für Sonnenstrahlung
als auch für Wärmestrahlung transparent, jedoch gasundurchlässig ist. Diese Eigenschaft
trifft z.B. für Kunststoffe wie Polyäthylen oder Polypropylen in Wandstärken bis
zu n, 100 um zu.
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Es ist zu bemerken, daß die Wände selbstverständlich auch aus anderen
Materialien bestehen können, die die geforderten, spezifischen Eigenschaften aufweisen.
Die Wandstärke dieser Wände ist unter Berücksichtigung dieser Eigenschaften im Rahmen
fachmännischen Handelns auf den jeweiligen Verwendungszweck abstimmbar. Als Material
für Wärmestrahlung reflektierende Schichten können Metalle oder Metalloxide verwendet
werden, beispielsweise können diese Schichten aus Indiumoxid oder auch aus Gold
bestehen.
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In Fig. 1 ist ein Isoliersystem aus zwei parallelen Wänden 11 aus
Glas dargestellt, wobei auf eine der Wände 11 eine Wärmestrahlung reflektierende
Schicht 3 aus Indiumoxid aufgebracht ist.
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Zwischen beiden Wänden 11 befindet sich ein mit Luft gefüllter Hohlraum,
der in Teilräume 4 unterteilt ist durch eine Zwischenwand 2, aus einer Folie aus
Polyäthylen.
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In Fig. 2a sind in Kurve a die Wärmedurchgangszahlen k in 3 über der
Temperaturdifferenz zwischen den Temperaturen der an das System angrenzenden Innen-
und Außenräume AT in K dargestellt für ein Isoliersystem gemäß Fig. 1, also für
ein System aus zwei parallelen Wänden 11 aus Glas, wobei eine Wand 11 eine Wärmestrahlung
reflektierende Schicht 3 von etwa 0,1 pm Dicke aufweist und mit einem von einer
Wand 2 in angenähert
gleich tiefe Teilräume 4 aufgeteilten Hohlraum,
wobei die Wand 2 aus einem Kunststoff wie Polyäthylen besteht und für Wärmestrahlung
durchlässig ist.
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In Fig. 2b sind in Kurve b die Wärmedurchgangszahlen k in W/m2K über
der Temperaturdifferenz zwischen den Temperaturen der an das System angrenzenden
Innen- und Außenräume AT in K für ein Isoliersystem dargestellt, das bis auf die
Zwischenwand, die den Hohlraum des Systems in angenähert gleich tiefe Teilräume
4 aufteilt, jedoch für Wärmestrahlung nicht transparent ist (Glas), dem Aufbau des
Systems in Fig. 1 entspricht.
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Aus dem Vergleich der beiden Kurven wird ersichtlich, daß der Wert
für den Wärmedurchgang k wesentlich erniedrigt werden kann, wenn zur Verhinderung
von Wärmeverlusten durch Konvektion in einem Isoliersystem mit einer Wärme strahlung
reflektierenden Schicht und mit Außenwänden, die für Sonnenstrahlung transparent
sind, eine Zwischenwand zur Unterteilung des gasgefüllten Hohlraumes verwendet wird,
die sowohl für Sonnenstrahlung als auch für Wärmestrahlung . transparent, jedoch
gasundurchlässig ist (Kurve a), im Gegensatz zu einer Zwischenwand, die für Sonnenstrahlung
transparent, jedoch für Wärmestrahlung nicht transparent ist (Kurve b).
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Die Werte für den Wärme durchgang k können noch einmal erniedrigt
werden, wenn der gasgefüllte Hohlraum zwischen den das System begrenzenden Außemfänden
mit einem Gas gefüllt ist, das eine niedrigere Wärmeübertragung als Luft bewirkt.
Solche Gase können beispielsweise Edelgase oder Schwefelhexafluorid SF6 sein.
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Im Rahmen der Erfindung ist es möglich, unterschiedliche Ausfülirungsformen
für das Isoliersystem zu verwenden.
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In Fig. 3 ist ein Isoliersystem dargestellt, das zwei Außenwände 11
in Form von Glasscheiben hat, wobei eine der Wände 11
an der dem
gasgefüllten Hohlraum des Systems zugewandten Seite eine etwa 0,1 um dicke, Wärmestrahlung
reflektierende Schicht 3 aus Indiumoxid hat. Statt Indiumoxid sind auch Beschichtungen
aus jedem anderen geeigneten Material anwendbar, z.B. Gold.
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Der gasgefüllte Hohlraum zwischen den beiden Wänden 11 ist unterteilt
in angenähert gleich tiefe Teilräume 4 durch zwei Zwischenwände 2 aus Polyäthylen.
Die Wandstärken aller Zwischenwände, die sowohl für Sonnenstrahlung als auch für
Wärmestrahlung transparent, jedoch gasundurchlässig sind - und das gilt für alle
Ausführungsbeispiele - liegen in der Größenordnung zwischen 10 bis 100 um; sie können
jedoch auch höher sein, sofern ihre Durchlässigkeit für Wärmestrahlung davon nicht
betroffen wird. Die Wandstärken der Wände 11 aus Glas sind je nach Verwendungszweck
> 1000 um; sie liegen in der Größenordnung der üblicherweise verwendeten Tafelgläser.
Das hier dargestellte Isoliersystem hat eine Wärmedurchgangszahl k w 0,9 W/m2K und
eine Transmission für Sonnenstrahlung T Fy 69 O/o.
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Die Wärme strahlung reflektierende Schicht 3 aus In203 hat eine Infrarotreflexion
von 90 5#. Die Transmission für Sonnenstrahlung für Glas einer Wandstärke von etwa
5 mm beträgt 90 $', die Transmission für Sonnenstrahlung für die im Rahmen der Erfindung
verwendeten Kunststofftende, die sowohl für Sonnenstrahlung als auch für Wärmestrahlung
transparent, jedoch gasundurchlässig sind, beträgt 93 %.
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Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem als Außern%nde 11 Glasscheiben
verwendet wurden, die jeweils an ihrer dem gasgefüllten Hohlraum des Systems zugewandten
Seite mit einer lichtdurchlässigen, Wärmestrahlung reflektierenden Schicht einer
Dicke von etwa 0,1 um versehen sind und bei dem der gasgefüllte Hohlraum in angenähert
gleich tiefe Teilräume 4 unterteilt ist durch drei Zwischenwände 2 aus Polyäthylen.
Beispielsweise besteht die Gasfüllung dieses Systems aus Luft, die Gesamtdicke des
Systems beträgt 80 mm, die Wandstärke der Wände 11 aus Glas
beträgt
5 mm, die Wandstärke der Innenwände 2 aus Polyäthylen beträgt 50 um.
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Für dieses System wurde bei einer Temperaturdifferenz AT von 20 0C
eine Wärmedurchgangszahl von k W 0,6 W/m2K berechnet und eine Transmission für Sonnenstrahlung
T z 62 #.
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Dieses System weist besondere Vorteile auf zur Verwendung z.B.
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als hochisolierendes Fenster für ein Null-Energie-Haus.
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Fig. 5 zeigt ein wärmeisolierendes System mit zwei Außenwänden 11
aus Glas, wobei im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 beide dem gasgefüllten
Hohlraum zugekehrte Seiten der Wände 11 mit einer lichtdurchlässigen, Wärmestrahlung
reflektierenden Schicht versehen sind und der gasgefüllte Hohlraum durch zwei Innenwände
2 aus Polyäthylen oder Polypropylen in angenähert gleich tiefe Teilräume 4 unterteilt
ist. Alle Abmessungen entsprechen denen des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 4.
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Für dieses System wurde eine Wärmedurchgangszahl von k > 0,71 W/m2K
und eine Transmission für Sonnenstrahlung T FJ 66 % berechnet.
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Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die beiden Außenwände
11 aus Glas sind und der gasgefüllte Hohlraum in angenähert gleich tiefe Teilräume
4 unterteilt ist durch zwei Zwischenwände 2, die sowohl für Sonnenstrahlung als
auch für Wärmestrahlung transparent, jedoch gasundurchlässig sind, wobei eine dieser
Zwischenwände 2 an ihrer einen Seite mit einer lichtdurchlässigen, Wärmestrahlung
reflektierenden Schicht 3 versehen ist. Alle Abmessungen dieses Systems entsprechen
ebenfalls den Abmessungen des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 4.
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Für dieses System wurde eine Wärmedurchgangszahl von k t 0,54 W/m2K
und eine Transmission für Sonnenstrahlung T z 59 % berechnet.
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Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Außenwände 11 aus
Glas sind und der gasgefüllte Hohlraum in angenähert gleich tiefe Teilräume 4 unterteilt
ist durch eine Zwischenwand 1 aus Glas sowie zwischen allen Wänden 11 und 1 aus
Glas durch zwei weitere Zwischenwände 2 aus Polyäthylen oder Polypropylen.
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Alle Wände 11 und 1 sind an jeweils einer dem gasgefüllten Hohlraum
des Systems zugewandten Seite mit einer lichtdurchlässigen, Wärmestrahlung reflektierenden
Schicht 3 aus z.B.
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Indiumoxid bedeckt, wobei es für die Effektivität der Isolierwirkung
des Systems nicht von Bedeutung ist, welche der Seiten der Zwischenwände 1 mit dieser
Schicht bedeckt sind.
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Die verwendeten Materialien dieses Ausführungsbeispiels und alle Einzelabmessungen
entsprechen denen der bereits beschriebenen Ausführungsbeispiele; das System hat
eine Gesamtdicke von 80 mm und einen Wert für die Wårmedurchgangszahl k w 0,55 W/m2K
und für die Transmission T t 57 ,~.
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In den Fig. 8, 9 und 10 sind Ausführungsbeispiele dargestellt, bei
denen jeweils eine Außenwand 11 für Sonnenstrahlung transparent, jedoch für Wärmestrahlung
nicht transparent ist und aus Glas besteht, wobei jede dieser Glasscheiben an ihrer
dem gasgefüllten Hohlraum des Systems zugewandten Seite mit einer lichtdurchlässigen,
Wärmestrahlung reflektierenden Schicht versehen ist. Die andere Außenwand 22 jedes
dieser drei Isoliersysteme ist aus Polyäthylen mit einer Wandstärke von ~ 1000 um.
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Der gasgefüllte Hohlraum des Systems gemäß Fig. 8 ist in annähernd
gleich tiefe Teilräume 4 unterteilt durch eine Zwischenwand 2 aus Polyäthylenfolie.
Die Gesamtdicke dieses Systems beträgt etwa 40 mm und als Wärmedurchgangszahl wurde
ein Wert von k# FJ 1,1 W/m2Kund für die Transmission T w 75 96 berechnet.
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Im-Isoliersystem gemäß Fig. 9 ist der gasgefüllte Hohlraum in angenähert
gleich tiefe Teilräume 4 unterteilt durch folgende Zwischenwände, wobei ihre Reihenfolge
von der Außenwand 11 aus-
gehend angegeben ist: zwei Zwischenwände
2 aus Polyäthylenfolie, eine Zwischenwand 1 aus Glas mit einer, an ihrer der Außenwand
22 zugewandten Seite lichtdurchlässigen, Wärmestrahlung reflektierenden Schicht
3 sowie eine Zwischenwand 2 aus Polyäthylen. Dieses System hat eine Wärmedurchgangszahl
k # 0,54 W/m2K und eine Transmission für Sonnenstrahlung T m 59 . Der gasgefüllte
Hohlraum des wärmeisolierenden Systems gemäß Fig. 10 ist in angenähert gleich tiefe
Teilräume 4 unterteilt durch eine Zwischenwand 2 aus Polypropylen und durch eine
weitere Zwischenwand 1 aus Glas, wobei diese Wand an ihrer der Außenwand 22 zugekehrten
Seite mit einer lichtdurchlässigen, Wärmestrahlung reflektierenden Schicht versehen
ist. Die Außenwand 22 besteht aus Polyäthylen mit einer Wand stärke von ~ 1000 pm.
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Für dieses System wurde für den Wärmedurchgang ein Wert von k M 0,7
W/m-2K errechnet und für die Transmission für Sonnenstrahlung T # 65 %.
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Das Isoliersystem gemäß Fig. 11 besteht aus zwei Außenwänden 22 aus
Polyäthylen einer Wandstärke von N 1000 um und aus zwei Zwischentenden 2 aus Polyäthylenfolie
von 30 µm Wandstärke, wobei eine der Zwischenwände 2 an ihrer der Außenwand 22 zugekehrten
Seite mit einer lichtdurchlässigen, lEårmestrahlung reflektierenden Schicht 3 versehen
ist. Dieses System hat besondere Vorteile, da es bei einem relativ niedrigen Wert
für den Wärmedurchgang (k # 0,7 W/m2K) einen relativ hohen Wert für die Transmission
für Sonnenstrahlung (T z 72,5 /%) aufweist.
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Die Werte für die Wärmedurchgangszahl k in W/m2K verändern sich mit
Gzr Anordnung der Wärme strahlung reflektierenden Schicht in Abhängigkeit von der
absoluten mittleren Temperatur im System.
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In dem in Fig. 11 dargestellten System ist die Wärmestrahlung reflektierende
Schicht 3 an der Seite einer Zwischenwand angebracht, die der 1,warmen1? Außenwand
des Systems zugekehrt ist.
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Für diese Ausführungsform wurde ein Wert für die Wärmedurchgangszahl
k b 0,7 W/m2K errechnet. Würde die Wärmestrahlung reflektierende Schicht auf der
Innenseite der linken Außenwand, also der ~kalten" Außenwand angebracht sein, würde
sich ein Wert für die Wärmedurchgangszahl k # 0,94 W/m2K ergeben; würde die Wärme
strahlung reflektierende Schicht auf der der "kalten" Außenwand benachbarten Innenwand
des Systems, also der zweiten Wand von links des in Fig. 11 dargestellten Systems
angebracht sein, würde sich ein Wert für die Wärmedurchgangszahl k z 0,74 W/m2K
ergeben; würde die Wärmostrahlung reflektierende Schicht dagegen an der Innenseite
der ~warmen" Außenwand, also der rechten Außenwand des in Fig. 11 dargestellten
Systems angebracht sein, würde sich ein Wert für die Wärmedurchgangszahl k # 0,82
W/m2K ergeben.
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Die Ausführungsbeispiele gemäß den Fig. 12 und 13 sind als Fenster
für Solarkollektoren gedacht, wobei sich diese wärmeisolierenden Systeme dadurch
von den bisher genannten Ausführungsbeispielen unterscheiden, daß jeweils eine ihrer
Außenlrände durch Solarabsorber 5 und 6 mit einer anschließenden Isolierschicht
7 gebildet sind.
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In Fig. 12 ist ein nicht-selektiver Absorber 5 dargestellt, der so
arbeitet, da Sonnenstrahlung absorbiert und Wärmestrahlung emittiert wird. Der Absorber
kann aus einer geeigneten schwarzen Schicht, z.B. Schwarznickelschicht, auf einem
Trägerkörper, z.B. aus Aluminium, bestehen. An seiner dem System abgewandten Rückseite
sind Durchlaßöffnungen 8 dargestellt, die zur Aufnahme eines Wärmetransportmediums,
z.B. Wasser, dienen.
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Die Außenwand 11 ist aus Glas einer Wandstärke > 1,5 mm, die an
ihrer Innenseite mit einer Wärmestrahlung reflektierenden Schicht 3 versehen ist.
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In Fig. 13 ist ein selektiver Absorber 6 dargestellt, der so arbeitet,
daß er Sonnenstrahlung absorbiert, aber keine Wärmestrahlung emittiert. Er besteht
aus einer geeigneten schwarzen
Schicht, z.B. aus Kupferoxid, auf
einem Wärmestrahlung reflektierenden Trägerkörper, z.B. aus Kupfer. An seiner dem
System abgewandten Rückseite befinden sich ebenfalls Durchlaßöffnungen 8, die ein
Wärmetransportmedium aufnehmen können.
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Da der selektive Absorber 6 Wärmestrahlung reflektiert, ist eine Beschichtung
der Außenwand 11 aus Glas mit einer für Sonnenstrahlung transparenten, Wärmestrahlung
reflektierenden Schicht nicht unbedingt erforderlich, wie es im Gegensatz hierzu
im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 12 dargestellt ist.
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Der im Ausführungsbeispiel gemäß 12 verwendete nicht-selektive Absorber
5 macht eine Reflexionsschicht erforderlich, da er selbst Wärmestrahlung nicht reflektiert.
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Die rückwärtige Isolierschicht 7 der beiden in Fig. 12 und 13 dargestellten
Ausführungsbeispiele kann aus einem wärmeisolierenden Material, z.B. aus Steinxzolle
oder aus treibmittelhaltigem Polystyrol, bestehen.
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Der gasgefüllte Hohlraum bei beiden Ausführungsbeispielen ist in Teilräume
4 unterteilt durch jeweils eine Wand 2 aus z.B.
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Polyäthylen.
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In allen Ausführungsbeispielen wurden die Zwischenwände aus Kunststoffolie
zwischen zwei Metallgittern aus mäanderförmig gebogenem Draht (Drahtdurchmesser
0,35 mm, Abstand der Mäanderbogen 10 cm) befestigt, wobei die Mäander der beiden
Metallgitter rechtwinklig zueinander verschoben sind.
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Patentansprüche:
L e e r s e i t e