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Flachkollektor und Verfahren zu seiner Herstellung
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Die Erfindung betrifft einen Flachkollektor für eine Sonnenenergiegewinnungsanlage
mit einem weitgehend ebenen Absorber, von Kühlflüssigkeit durchflossenen Kühlrohren
und einer auf der dem Licht zugewandten Seite des Absorbers angeordneten, einfachen
oder doppelten lichtdurchlässigen Abdeckung, die einen gasgefüllten Zwischenraum
zwischen sich und dem Absorber freiläßt.
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Bei bekannten Flachkollektoren dieser Art sind die Kühlrohre in den
Absorber integriert. Der Absorber besteht beispielsweise aus oberflächenbehandeltem
Blech oder Blechflossen, das bzw. die mit dem Kühlrohren form-, stoff- oder kraftschlüssig
verbunden ist bzw. sind. Bei diesen bekannten Flachkollektoren ist der Wärmeübergang
vom Absorber zu den Kühlrohren verhältnismäßig schlecht, weil der Absorber selbst
für gewisse Rohrflächenpartien den Wärmeübergang behindert, so daß entweder zahlreiche
Kühlrohre benötigt werden oder unnötig hohe Absorbertemperaturen auftreten. Zahlreiche
Kühlrohre erhöhen die Kosten des Flachkollektors, hohe Absorbertemperaturen führen
zu verringerter Energieaufnahme wegen höherer Wärmeverluste und zu stärkerer Beanspruchung
der Absorberwerkstoffe.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Flachkollektor der
genannten Art zu schaffen, bei dem der Wärmeübergang vom Absorber zu den Kühlrohren
möglichst wenig behindert wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kühlrohre
in dem gasgefüllten Zwischenraum mit Abstand zum Absorber angeordnet sind.
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Durch die erfindungsgemäße Aushildung wird erreicht, daß die Rohre
allseitig von der Gasfüllung im Zwischenraum, bei der es sich in der Regel um Luft
handelt, umgeben sind.
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Dies ermöglicht, daß das Gas die Kühlrohre allseitig umströmen kann
und daher die gesamte Rohroberfläche zur konvektiven Wärmeübertragung zur Verfügung
steht. Des weiteren wird die gesamte Rohroberfläche für Wärme strahlung zugänglich.
Bei herkömmlichen Flachkollektoren mit in den Absorber integrierten Kühlrohren liegt
dagegen zumindest ein Teil der Rohroberfläche nicht frei, so daß dort nur wenig
Wärmeübertragung durch Konvektion und Strahlung erfolgen kann. Selbst wenn die Kühlrohre
herkömmlicher Flachkollektoren in leitendem Kontakt mit dem Absorber stehen, wird
in diesem Kontaktbereich verhältnismäßig wenig Wärme in die Kühlrohre eingeleitet,
da dem Wärmestrom zum Kühlrohr im Absorber nur eine kleine Querschnittfläche zur
Verfügung steht, die beispielsweise durch die Blechdicke bestimmt ist. Dagegen führt
die erfindungsgemäße Ausbildung zu unbehindertem Wärmeübergang auf der gesamten
Rohroberfläche und zu insgesamt höherem Wärmeübergang. Dies senkt die Anzahl der
benötigten Kühlrohre und/oder die Absorbertemperatur.
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Durch die Erfindung wird ohne konstruktiven ehraufwand höhere Energieausbeute
erreicht.
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Der Absorber kann beliebigen und auch bekannten Aufbau haben. Beispiele
für mögliche Absorber sind oberflächenbehandeltes Blech und schwarze Glasfaservliese
bzw.
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dünne Glasfasermatten, die auf einer Blechzwischenlage aufliegen.
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Die Kühlrohre können beliebiges Profil haben. Vorzugsweise haben sie
jedoch Kreisquerschnitt. In vorteilhafter Weiterbildung sind die Rohre zur Oberflächenvergrößerung
mit Rippen versehen.
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Besonders günstige Umströmung der Kühlrohre ergibt sich dadurch, daß
der Abstand der Kühlrohre vom Absorber zumindest gleich dem halben Rohrdurchmesser
ist.
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Um die direkte Energieaufnahme der Kühlrohre zu erhöhen, können die
Kühlrohre eine Oberflächenbeschichtung aus Absorbermaterial aufweisen.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines
Flachkollektors aus einem Absorber, von Kühlmittel durchflossenen Rohren und einer
einfachen oder doppelten lichtdurchlässigen Abdeckung, und zwar insbesondere eines
erfindungsgemäßen Flachkollektors.
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Bisher ist es üblich, den Absorber, die Kühlrohre und die Abdeckung
zusammen mit einer Wärmedämmschicht auf der lichtabgewandten Seite des Absorbers
in einen tragenden Rahmen einzubauen und diesen Fertigkollektor am Einbauort einzubauen.
Einbauort ist das Dach, Die Fassade oder das sonstige Bauwerksteil, an dem der Flachkollektor
gegebenenfalls in einer Kollektornische, installiert werden soll.
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Bei diesem Vorgehen weist der Flachkollektor Elemente auf, die für
seine eigentliche Aufgabe, nämlich die Energieaufnahme und -übertragung zur Kühlflüssigkeit,
nicht benötigt werden. Dazu gehören der Rahmen und bisweilen auch die Wärmedämmschicht,
da sich eine solche häufig bereits am oder im Bauwerksteil befindet. Diese Elemente
verursachen jedoch Kosten, die vermieden werden sollten.
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Außerdem schränken die vorgegebenen Rahmenmaße der auf herkömmliche
Weise gefertigten Flachkollektoren die Gestaltungsfreiheit beim Bauwerksentwurf
ein. Schließlich verursachen die Rahmen und Montagezwischenräume zwischen den einzelnen
Fertigkollektoren Flächenverluste und verschärfen damit die Schwierigkeiten, die
für die Unterbringung energetisch sinnvoller Kollektorflächen typisch sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren soll die mit der Herstellung und dem
Einbau eines Flachkollektors verbundenen Kosten verringern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß am Einbauort
des Flachkollektors auf eine Wärmedämmsicht der Absorber aufgebracht und befestigt
wird, daß danach über dem Absorber die Kühlrohre installiert werden und daß dann
die Abdeckung über den Kühlrohren montiert wird.
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Bei erfindungsgemäßem Vorgehen wird der Flachkollektor also nicht
vorgefertigt, sondern erst am Einbauort zusammengebaut. Dadurch ist es möglich,
Gebäudeteile gleichzeitig für den Kollektor und Kollektorteile gleichzeitig für
das Gebäude zu nutzen. Beispielsweise dienen Gebäudeteile, z.B. Dachträger, Mauerwerk
oder ein Metallgerüst, als Tragwer für den Kollektor, so daß der Rahmen und anderes
Stabilisierungs- und Schutzbeiwerk für die Montage entfallen können. Die Wärmedämmschicht
dient gleichzeitig zur Gebäudewärmedämmung und zur rückseitigen Wärmedämmung
des
Flachkollektors. Das Gebäude benötigt am Einbauort keine eigene Wetterhaut; deren
Funktion wird von der Abdeckung des Flachkollektors übernommen. Dies alles verringert
einerseits erheblich die sonst durch die Herstellung und den Einbau eines Flachkollektors
entstehenden Kosten und somit die Kosten der Sonnenenergiegewinnungsanlage und andererseits
auch die durch den Flachkollektor verursachten Auflagelasten am Bauwerk.
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Außerdem gestattet das erfindungsgemäß Verfahren, dem Flachkollektor
beliebige Form und Größe zu gegen, d.h.
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es treten keine Schwierigkeiten bei der Anpassung an das Bauwerk auf,
und es können Flächenverluste durch Rahmen und Montagefreiräume zwischen Einzelkollektoren
vermieden werden, weil bei erfindungsgemäßem Vorgehen geschlossenflächig installiert
werden kann. Schließlich fällt auch das für Fertigkollektoren benötigte Stabilisierungs-
und Schutzbeiwerk für Transport und Lagerung weg.
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Das erfindungsgemäße Verfahren schließt nicht aus, daß einzelne Baugruppen
des Flachkollektors weitgehend vorgefertigt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zwar wegen der räumlichen
Trennung von Absorber und Kühlrohren beim erfindungsgemäßen Flachkollektor besonders
zu dessen Herstellung. Der erfindungsgemäße Flachkollektor kann jedoch auch in herkommlicher
Weise vorgefertigt werden. Ebenso kann das erfindungsgemäße Verfahren auch bei der
Herstellung anderer Flachkollektoren zur Anwendung kommen.
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Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung
anhand der Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 eine ausschnittsweise Schnittdarstellung
einer Ausffihrungsform des Flachkollektors; Fig. 2 eine Schnittdarstellung eines
in ein Dachsperensystem eingebauten Flachkollektors; Fig. 3 und 4 schematisch weitere
Einbaumöglichkeiten des Flachkollektors; und Fig. 5 eine perspektivische Ansicht
von Teilen eines erfindungsgemäßen Flachkollektors.
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Fig. 1 zeigt eine ausschnittsweise Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Flachkollektors. Dieser umfaßt einen Absorber 10, der aus
Feinstblech 12 mit einer Schicht 14 aus lichtabsorbierendem Material besteht. Auf
der lichtabgewandten Seite des Absorbers liegt dieser durch Auflagesicken 11 auf
einer Wärmedämmschicht 16 auf. Die Auflagesicken 11 sorgen für eine Luftzwischenschicht
zwischen Absorber 10 und Wärmedämmschicht 16. Auf der anderen Seite des Absorbers
10 ist in gewissem Abstand eine lichtdurchlässige Abdeckung 18 angeordnet, die die
darunterliegenden Teile vor Wettereinflüssen schützt und die Wärmeverluste des Kollektors
vermindert. Der Raum zwischen Absorber und Abdeckung enthält Luft. In diesem Zwischenraum
22 sind Kühlrohre 20 angeordnet, die Abstand vom Absorber 10 haben, so daß sie allseitig
von Luft umgeben sind.
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Die Kühlrohre 20 haben beim dargestellten Ausführungsbeispiel Kreisquerschnitt
und sind zur Oberflächenvergrößerung mit Rippen 24 versehen. Eines der Kühlrohre
ist auf seiner dem Licht zugewandten Seite mit einer aus Absorbermaterial bestehenden
Oberflächenschicht 26 dargestellt.
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Vorzugsweise haben alle Kühlrohre gleiche Oberflächenbeschaffenheit,
d.h.
eine oder keine Absorberbeschichtung.
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Die Kühlrohre werden von Kühlflüssigkeit durchströmt. Auf den Absorber
einfallende Lichtstrahlung wird größtenteils absorbiert und in Wärme umgewandtelt.
Durch die Erwärmung des Absorbers stellt sich freie Konvektion der Luft und ein
diffuses Wärmestrahlungsfeld im Zwischenraum 22 ein.
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Die Luft streicht einerseits über den Absorber 10 und umströmt andererseits
die Kühlrohre 20, wobei Wärme vom Absorber zu den Kühlrohren und der Kühlflüssigkeit
übertragen wird. Da die Luft allseitig die Kühlrohre umströmen kann, wird deren
gesamte Oberfläche zur Wärmeübertragung ausgenutzt. Von der vom Absorber abgestrahlten
Wärme wird ein Teil direkt von den Kühlrohren aufgefangen, so daß ferner geringere
Wärmeverluste auftreten.
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In Fig. 2 ist ein Flachkollektor gemäß Fig. 1 in ein Dachsparrensystem
eingebaut gezeigt. Dargestellt sind Sparren 30 und eine äußere Randerhöhung 34 einer
Dachkonstruktion. Zur Dachkonstruktion gehört ferner eine Innenauskleidung 36.
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Zum Einbau des Flachkollektors wird auf der. Sparren zwischen den
seitlich begrenzenden Randerhöhungen 34 eine Lage 40 aus Streckmetall befestigt.
Diese Streckmetallage 40 kann durch jedes andere Element ersetzt werden, das die
Wärmedämmschicht 16 rückseitig ausreichend abstützen kann. Auf die Steckmetallage
40 oder dergleichen wird die Wärmedämmschicht 16 gelegt und gegebenenfalls gesichert.
Die Wärmedämmschicht wird auch an den Innenflächen der Rarlderhöhung 34 vorgesehen,
so daß der Flachkollektor auch seitlich wärmegedämmt ist.
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Auf die Wärmedämmschicht 16 wird der Absorber 10 aufgebracht. Mit
Hilfe geeigneter Halterungen wird dann ein Register aus Kühlrohren 20 mit Abstand
vom Absorber 10 installiert, bevor die Abdeckung 18 aufgesetzt, befestigt
und
an den Rändern mittels einer Verwahrung 35 wetterdicht verwahrt wird.
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Es ist prinzipiell erkennbar, daß die Abdeckung 18 gleichzeitig die
Wetterhaut für die Dachkonstruktion bildet, daß die Wärmedämmschicht 16 gleichzeitig
der Wärmedämmung des Dachraumes oder schrägwandigen Raumes dient und daß der Flachkollektor
beliebigen Holztrag-und -fachwerken angepaßt werden kann. Bei Vorgehen nach dem
beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren ist außerdem die Auflagelast geringer
als bei herkommlichen vorgefertigten Kollektoren, da beispielsweise der Tragrahmen
entfällt.
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In gleicher Weise, wie im Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben, kann
der Flachkollektor auch an anderen Bauwerksteilen installiert werden, wie dies schematisch
in Fig. 3 für ein Metalltragwerk mit Träger 42 und in Fig. 4 für eine Wand, eine
Schrägwand oder ein Dachteil aus Betonfertigelementen 44 dargestellt ist.
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Fig. 5 zeigt in perspektivischer Darstellung vereinfacht einen erfindungsgemäßen
Flachkollektor ohne Abdeckung, der nach hinten geneigt ist, wie dies beispielsweise
einer Dachschräge entspricht. Die Kühlrohre 20 sind zu einem Kühlrohrregister 46
mit Vorlauf-Verteilerrohr 48 und Riicklauf-Sammlerrohr 50 zusammengefaßt. Ein solches
Kühlrohrregister kann beispielsweise auch bei erfindungsgemäßen Vorgehen als vorqefertigte
Baugruppe installiert werden.
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BE S EICHENLISTE L ST OF REFERENCE NUMERALS) 1 1 2 4 4 5 5 6 6 7
8 8 9 9 10 Absorber 10 11 Auflagesicken 11 12 Feinstblech 12 13 13 14 Schicht 14
15 15 16 Wärmedämmschicht - 16 17 17 18 Abdeckung 18 19 19 20 Kuhlrohr 20 21 21
22 Zwischenraum 22 23 23 24 Rlppen 24 25 25 26 Oberflachenschicht 26 27 27 28 29
29 30 Sparren 30
31 31 32 32 33 33 34 Randerhdhung 34 35 Verwahrung
35 36 Innenauskleidung 36 37 37 38 38 39 39 40 Streckmetallauflage 40 41 41 42 Träger
42 43 43 44 Betonfertlgelement 44 45 45 46 Kühlrohrregister 46 47 47 48 Vorlauf-Verteilerrohr
48 49 49 50 Rücklauf-Sammlerrohr 50 51 51 52 52 53 53 54 54 55 55 56 56 57 57 58
58 59 59 60 60 61 61 62 62 63 63 64 64, 65 65