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Patentbeschreibung Anordnung, Herstellungsverfahren und Einsatz von
Sonnenwärmekollektoren Im Zuge der Notwendigkeit, Primärenergie einzusparen, werden
Sonnenwärmekollektoren in zunehmendem Maße für Schwimmbanheizung, Brauchwasservorwärmung
und als Zusatzheizung eingesetzt.
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Sonnenwärmekollektoren enthalten in der Regel eine schwarze Flache,
Absorberplatine genannt, die sich in einem ut wärmeleitenden Kontakt mit einem Wärmeträgermittel,
meist Wasser, führenden Rohrleitungsnetz befindet. Die Absorberplatine ist rückseitig
und an den Rändern durch Isolationsschichten geen Wärmeverluste geschützt. Auf der
Frontseite dienen dazu eine oder mehrere transparente Abdeckungen, die die Konvektions-und
Abstrahlungsverluste verringern. Je grö£er die Absorberplatine ist1 desdo geringer
sind die anteiligen Randwärmeverluste: der Gesamtwirkungsgrad steigt.
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Normalerweise weisen Sonnenwärmekollektoren einen Iiolz- oder Metallrahmen
auf, an dem die transparente Frontabdeckullg, meis Glas, auswechselbar befestigt
ist. Ein derartiger Lähmen muß, damit er keine größeren Verformungen zuläßt, die
zum Bruch des Glases oder zum Undichtwerden der Verbindung Rahmen-transparente Abdeckung
führen können, relativ stabil und damit schwer aubaut sein. Da die Schwierigkeit
der Verlegung von Dach/Fassadenelementen mit ihrer Nasse stark zunehmen, ist so
die Größe - und damit auch der Wirkungsgrad - wirtschaftlich einsetzbarer Sonnenwärmekollektoren
eingeschränkt.
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Ein Ziel der Erfindung ist es, Sonnenwärmekollektoren steif und leicht
zu bauen. Bei annehmbarer Gesamtmasse können damit größere Kollektoren gebaut werden,
die einen besseren Wirkungsgrad haben und die pro Flächeneinheit, d.h. Nutzleistung,
billiger sind.
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Ein derartiger leichter Aufbau ist eine Voraussetzung dafür, auch
nachträglich mit vernünftigem Aufwand große Dach/Fassadenelemente durch entsprechende
Sonnenwärmekollektoren zu ersetzen: Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es nämlich,
den Einbau von Sonnenwärmekollektoren, ihre Befestigung und ihre Auswechselung zu
rationalisieren.
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Ein drittes Ziel ist es, Blendgefahren (vor allem für Kraftfahrer),
die durch die Refexion von Sonnenstrahlen an den schräg nach Süden montierten großen
ebenen Glas-Kollektorabdeckungen eintreten, zu verringern und das Aussehen von eingebauten
Sonnenwärmekollektoren zu verbessern.
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Die erfindungsgemäßen Ziele werden dadurch erreicht, daß der Sonnenwärmetrog
(1) und die transparente Abdeckung (2) aus einander gleichem oder ähnlichem Kuststoffmaterial
bestehen und an ihren ßerührungsstellen so miteinander verbunden sind, daß sie eine
strukturelle Einheit bilden und/oder dadurch, daß der Sonnenwärmetrog aus zwei (oder
mehreren) dünnen, tragenden Kunststoff-Deckschichten oder -Schalen und (einer) dazwischenliegenden
Wärmeisolationsschicht(en) besteht, die die Dechschichten strukturell verbindet
und/oder dadurch, daß der Sonnenwärmekollektor in seiner äußeren Form so gestaltet
wird, daß er gegen großflächige Dach/F&ssadenfertigbautei le diese vollständig
ersetzend auch nachträglich ausgetauscht werden kann und/oder dadurch, daß die äußere
transparente Abdeckung aus mehrfach bombierten Kunststoff-Material besteht.
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Damit auch die transparente Abdeckung wesentlich zur Versteifung des
Sonnenwärmekollektors beiträgt, muß sie mit dem Sonnenwärmetrog eine strukturelle
Einheit bilden, d.h. die Verbindung zwischen beiden ist derart auszuführen, daß
an jedem Ort der ursprünglichen Trennfuge senkrecht zu ihr Zugspannungen in der
Gr'ößenordnung der Materialfestigkeit übertragen werden können, Das ist beispielsweise
dadurch zu erzielen, daß sowohl der Sonnenwärmetrog alsauch die transparente Abdekkung
aus glasfaserverstärktem Polyesterharz geformt und mit gleichem Harz zusammenlaminiert
werden. Ein besonderer Vorzug: diese Verbindung ist auch über viele Jahre hermetisch
dicht.
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Wasser, das sonst hier eindringen könnte, würde an der relativ kühlen
Innenseite der Abdeckung auskondensieren und so die Reflexionsverluste des Kollektors
stark erhöhen.
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Um die versteifende Wirkung der transparenten Abdeckung zu erhöhen,
ist es sinnvoll, ihr eine räumlich gekrümmte Form zu geben4 z.B. sie zu bombieren.
Derartige Bombagen lassen sich in teuren Bormen oder durch aufwendige Aufblastechniken
gewinnen.
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Wesentlich einfacher ist es, auf einer glatten Fläche eine Spezialfolie,z.B.
auf Polyvinyialkoholbasis, auszubreiten, eine Kunststoffschicht - z.B, im Handauflegeverfahren
von Glasmatte und Harz - aufzutragen, mit einer ebensolchen Folie abzudecken und
das so erzeugte "Sandwich" zwischen zwei waagerecht angeordneten Rahmen (ähnlich
Fensterrahmen) einzuspannen, Wird Jetzt von oben z,B eine dünne Sandschicht aufgebracht,
hängt das Sandwich durch und härtet in der so angenommenen Gestalt zu einer Bombage
aus. Unterteilt man den beispielsweise langlich-rechteckigen Rahmen durch einen
oder mehrere Querstege, entsteht eine doppel- oder mehrbusige Bombage, dieiii-cht
nur attraktiv aussieht, sondern auch in einem schräg in ein Dach eingebauten Sonnenwärmekollektor
nach Fig.3 die sich zwischen heißer Platine (3) und kalter Abdeckung (2) auf der
Vorderseite des Kollektors ausbildende Konvektions-Luftströmung wenigstens teilweise
"abquetscht" und damit die WArmeverluste vermindert. Auf diese Weise lassen sich
auch kompliziertere räumlich gekrümmte Formen realisieren.
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Gegenüber den üblichen ebenen Glas- oder Kunststoffabdeckun gen sind
derartige Bombagen bei gleicher Festigkeit wesentlich leichter. Weil sie dünner
sind, können bessere Transmissionswerte für Sonnenstrahlen erzielt werden und wegen
ihrer -sphirisch gekrümmten Form führen Wärmedehnungen nicht zum Bruch oder zu häßlichen
Verwerfungen.
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Auch das Unterteil des Sonnenwärmekollektors, hier Sonnenwärmetrog
(I) genannt, muß besonders leicht gebaut werden. Normalerweise besteht es aus einem
Holz-,Metall- oder Integralschaumrahmen, der die Absorberpiatine (3) umschließt,
und der parallel zur Absorberlatine im Abstand von einigen Zentimetern eine dünne
Riicla1and enthält. Der Zwischenraum zwischen Absorberpiatine und Rückwand ist mit
Wärmedämmaterial ausgefüllt bzw. ausgeschäumt, das gar nicht - oder nur in geringem
Maße - zur Versteifung des Kollektors beiträgt. Gelangt das Wärmedämmaterial, z.B.
Polyurethanschaum, an die Absorberplatine, die ggf. aus Aluminium besteht, können
kritische Langzeit-Korrosionsprobleme auftreten. Da die Innenseite der o.a, Rückwand
gegenüber der Absorberplatine kalt ist,--kann~hierher gelangter Wasserdampf auskondensieren,
die Wärmedämmung verschlechtern und Korrosion verprsachen.
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Diese Probleme werden erfindungsgemäß dadurch beherrscht, daß der
Sonnenwarmetrog (1) aus zwei dünnen Kunststoffschalen oder Deckschichten (6),(7)
besteht, die miteinander fest verbunden werden. In Figs. 2,3 sind sie ineinandergestülpt
und verklebt. Zwischen den Kunststoffschalen (6),(7) befindet sich eine relativ
stabile Wärmedämmschicht (8), die an ihrer Oberfläche mechanisch so mit den Kunststoffschalen
(6),(7) verbunden ist, daß diese ausgesteift werden, so daß z.B. ein Ausbeulen-einer
Schale bei Belastung des Sonnenwärmetroges (1) verhindert wird.
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Der Aufbau dieses Sonnenwärmetroges kann so durchgeführt werden, daß
zunächst die Schale (6) aus glasfaserverstärktem Kunststoff, kurz: GPK, gefertigt
wird. Danach wird die Schale (7) aus GFK in einer %trogähnlichen Form laminiert,
ein passender Kern (8)
aus Polyurethanschaum wird in das noch klebrige
GFK gedrückt, oben mit Harz bestrichen und anschließend mit Schale (6) verpreßt.
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Ein derartiger zweischaliger Sonnenwärmetrog ist gegenüber den bekannten
Konstruktionen besonders leicht und stabil, die Wasserdampfdurchlässigkeit der Schalen
ist gering genug, um Kondensationsprobleme zu vermeiden und die innere Schale trennt
die Absorberplatine, der sie zusätzlichen IIalt verleiht, sicher von dem verwendeten
Isolationsmaterial (8).
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Bekannte Sonnenwärmekollektoren sind gewöhnlich flache rechteckige
Kästen, die zur Montage auf Dächern/Fassaden zusätzliche Befestigungselemente benötigen.
Wenn sie in aufwendiger Handarbeit genau justiert und befestigt sind, muß gegenüber
der übrigen Deckung eine witterungsfeste und -dichte Verbindung geschaffen werden,
die ebenfalls aufwendig ist.
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Mit bekannten Sonnenwärmekollektoren lassen sich auch keine leichten
Fertigbauteile, z.B, Wellplatten aus Asbestzement, einfach ersetzen: Nach DIN 1055
"Lastannahmen für Bauten" dürfen diese ein Berechnungsgewicht von 20 kg/m2 nicht
überschreiten. Bei einem bekannten Sonnenwärmekollektor, der eine transparente Abdeckung
aus zwei je 4 mm dicken Glasscheiben besitzt wiegen diese Glasscheiben allein schon
mehr als 20 kg/m . Fur die Zulassung des Kollektor-Einbaus wäre also mindestens
ein neuer statischer Nachweis des Dachstuhls erforderli ch.
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Der erfindungsgemäße Gedanke, dem Sonnenwärmekollektor dieselbe äußere
Form wie den üblichen Dach/Fassadenelementen zu verleihen, die dann "schlicht um
schlicht" ausgetauscht werden können, 1t sich jedenfalls bei komplizierter gestalteten
Dach/Fassadne1ementen mit den herkömmlichen Materialien für Sonnenwärmekollektor-Rahmen:
Aluminium, Stahl, Holz, Strukturschaum überhaupt nicht oder nur mit unangemessen
hohem Aufwand an Formkasten usw. durchführen. Weiterhin dürften Festigkeits-,Gewichts-
und Korrosionsprobleme nur schwer zu beherrschen sein.
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Dagegen eignet sich glasfaserverstärkter Kunststoff wegen seiner in
dünnen und leichten Schichten hohen Festigkeit dann besonders zum Bau von Sonnenwärmekollektoren,
wenn er in der oben beschriebenen Art verarbeitet und gegen Witterungsein flüsse
besonders geschützt wird, z.B. durch eine Feinschicht oder einen Gelcoat, die verhindern,
daß die Witterung an die verstärkenden Glasfasern herankommt und ihre Verbindung
mit dem Harz schwächt.
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Fast beliebig gestaltete Dach/Fassadenelemente können durch Sonnenwärmekollektoren
dann vollständig und gegebenenfalls auch nachträglich ersetzt werden, wenn der eigentliche
Sonnenwärmekollektor von einem Anschlußprofilkranz (5) aus glasfaserverstärktem
Kunststoff o.ä. umgeben wird, dessen Außenseite, soweit sie mit den Nachbarelementen
in Kontakt ist, dieselbe Form wie die zu ersetzenden Elemente aufweist.
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Es ist vorteilhaft, diesen Änschlußprofilkranz mit einer elastischen
Randzone auszurüsten, die die tendenz aufweist, einen etwa vorhandenen 1'ugenspalt
zu schließen, weil dadurch z.B.
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auch bei nachträglicher Setzung des Daches dessen Witterungsdichtigkeit
erhalten bleibt. Weiter ist der Sonnenwärmekollektor dann weniger anfällig gegen
Transportschäden.
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Besondere Vorzüge weisen derartige Sonnenwärmekollektoren auf, die
3,4,5 oder 6 überheinanderliegende Platten (Breite 1097 mm) des "Eternit Berliner
Welle" Programms oder' 4,5,6,7 oder 8 übereinanderliegende Reihen Betondachsteine
"Braas Frankfurter Pfanne" in einer Breite von 3 (930 mm), 3 1/2 (1080 mm) oder
4 (1230 mm) Steinen in einer gegebenen Dacheindeckung ersetzen können, weil sie
relativ geringe Randwärmeverluste aufweisen, aufgrund ihrer Dimension und Leichtigkeit
gut zu transportieren und zu verlegen sind und den optischen Gesamteindruck des
Daches verbessern.
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Problematisch ist auch bei gegenüber Fertigbauteilen austauschbaren
Sonnenwärmekollektoren die Lage der Anschlüsse für die Wärmeträgerflüssigkeit. Bekannt
ist, die Anschlüsse zweier benachbarter Kollektoren über das Dach zu führen und
sie dort
zu verbinden. Derartige Anschlüsse sind aber der Witterung
ausgesetzt und stören z.B. das Abgleiten von Schnee. Anschliisse senkrecht zur Platine
(3) nach unten zu führen verbietet sich, weil sich an dieser Stelle gerade ein Dachsparren
o.ä. befinden kann.
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Erfindungsgemäß werden die Anschlüsse in der Ebene der Platine an
solchen Stellen aus dem Sonnenwärmetrog (i) herausgefihrt, an denen die Unterseite
der zu ersetzenden Dach/Fassadenelemente möglichst weit über das Niveau der Dachlatten
hinausragt Dort ist dann unter dem Dach oft genügend Bewegungsfreiheit vorhanden,
um auch aus Platznutzungsgründen eng aneinandergerückte Kollektoren untereinander
oder mit einer Wärmeträger-Samlllelleitung unter Berücksichtigung der notwendigen
Entlüftungsmöglichkeit und der unterschiedlichen Wärme dehnung Platine - Sonnenwärmetrog
zu verbinden und gut wärmezuisolieren.
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Ein weiteres Problem liegt in der kostengünstigen und rationellen
Fertigung von Sonnenwärmetrögen aus glasfaserverstärktem Kunststoff. Da der Preis
für Glasfaser-Produkte gerade in jüngster Zeit stark gestiegen ist und auch das
auf Glasfasergewebe oder -matten angewiesene HanBaminieren immer teurer wird, ist
es sinnvoll, Sonnenwärmetröge durch Formpressen einer Lfunststoffmasse herzustellen,
die lange Astbestzementfasern oder Steinwolle als Verstärkung enthält. Diese Materialien
tragen der besonderen thermischen Belastung des Sonnenwärmetroges Rechnung, da ja
die Platine (3) durchaus Temperaturen, von über 200° C erreichen kann.
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Werden mehrere Sonnenwärmekollektoren in einem einzigen Wärmekreislauf
zusammengeschaltet, kann der Fall eintreten, daß ein Teil der Kollektoren den Wärmeträger
aufheizt, ein anderer Teil ihn aber deswegen abkühlt, weil z.B. dieser Teil gerade
beschattet wird, verschmutzt ist oder Isolationsfehler aufweist. Es ist deswegen
sinnvoll, in dem Wärmeträgerkreislauf vor oder hinter Jedem einzelnen Kollektor
(oder jeder parallel angeordneten Kollektorgruppe usw.) eine Drosselstelle vorzusehen,
die von einem an diesem Kollektor (dieser Kollektorgruppe) angebrachten Temperaturfühler
in der Weise automatisch betätigt
wird, daß die Drossel den Wärmeträgerfluß
durch diesen Kollektor (diese Kollektorgruppe)um so mehr drosselt, je tiefer die
an seinem (ihrem) Temperaturfühler gemessene Temperatur im Vergleich zur' an den
anderen Kollektoren des Wärmeträger-Kreislaufes gemessene Temperatur ist.
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Derartig ausgerüstete Kollektoranlagen mit einem einzigen Warmeträgerkreislauf
arbeiten auch dann mit einem guten Wirkungsgrad, wen die einzelnen Kollektoren nicht
zueinander parallel, sondern in unterschiedlichen Winkeln angebracht sind. Vorhandene
Gebäude mit verwinkelten Dachflächen können so mit wesentlich größeren Kollektorflächen,
die in einen einfachen Wärmeträgerkreislauf zusammengeschaltet sind, versehen werden,
ohne daß der Gesamtwirkungsgrad durch die sonst unterschiedliche Erwärmung der einzelnen
Kollektoren stark absinkt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist durch die Zeichnung dargestellt:
Fig. 1 zeigt einen Sonnenwärmekollektor in einer Ansicht senkrecht von oben.
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Fig. 2 zeigt einen (waagerechten) Schnitt: Der Sonnenwärmetrog 1 besteht
aus zwei übereinandergestülpten dünnen GFR-Halbschalen 6,7, die mit der Wärmeisolationsschicht
8, die hier aus Polyurethanschaum (ca. 40 kg/m3) besteht, verklebt sind. Der Anschlußprofilkranz
5,der hier in, einem Stück mit der Halbschale 6, deren äußere Umrandung er bildet,
laminiert ist, weist die Borm von mehreren übereinanderliegenden l'Eternit Berliner
Welle Welle"-Plat-ten auf: gegen eine ebensogroße Zahl derartiger Platten, die aus
einer bestehenden Deckung entfernt werden, kann dieser Kollektor ohne Schwierigkeiten
ausgetauscht werden. In seinen äußeren Bereichen 5a ist der Anschlußkranz dünn und
federnd ausgeführt. Die bombierte transparente Abdeckung 2, die auch aus GFK besteht,
das durch die Anpassung des Brechungsi.ldexes des Harzes an den der Glasfasern hochtransparent
eingestellt ist, ist an ihren Rändern mit dem Sonnenwärmetrog 1 zusammenlaminiert.(Zur
Verdeutlichung ist in Figs. 2,3 ein kleiner Spalt zwischen den Teilen 1,2 gezeichnet:
dieser Spalt deutet die Lage der ursprünglichen
Trennfuge an, die
am fertigen Produkt nicht mehr vorhanden ist: Beide Teile 1,2 sind dann "aus einem
Stück".) Fig. 3 zeigt einen (senkrechten) Schnitt: Die transparente Ab-.deckung
2 ist hier vierbusig ausgeführt. Die Anschlüsse 9a, 9b für die Wärmeträgerflüssigkeit,
die in der Ebene der Absorberplatine 3 bleiben, durchstoßen den Sonnenwärmetrog
1 (und zwar zunächst die Halbschale 6 und dann die in diesem Bereich mit der Halbschale
6 verklebte Halbschale ?) an Stellen, die unter den Wellenbergen des "Eternit Berliner
Welle"-Daches im Inneren des Daches liegen. Sie sind so vor Witterungseinflüssen
geschützt und lassen sich von innen her gut an den Wärmeträgerkreislauf anschließen.
Die Ränder 5a des Anschlußkranzes 5 sind auch hier dünn und elastisch ausgeführt.
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L e e r s e i t e