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Beschreibung
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Die Erfindung bezicht sich auf einen glaslosen i?lachkollektor für
Sonnenenrgie.
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Die Bezeichnung Flachkollektor trifft auch für einen Kollektor mit
profilierter Oberfläche oder mit gebogener Oberfläche zu. Ein Flachkollektor unterscheidet
sich von anderen Kollektoren für Sonnenenergie dadurch, daß er die Sonnenstrahlung
nicht konzentriert sondern lediglich absortiert.
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Es sind Flachkollektoren für llausheizungen bekannt, die nach dem
sogenannten Treibhauseffekt wirksam sind, der darin besteht, daß sich auf der Sonnenseite
des Kollektors eine oder mehrere Glastafeln mit Luftzwischenraum befinden.
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Die innere Rückseite ist hierbei für ein Absorbieren von Sonnenstrahlen
schwarz eingefärbt. Mit dem Ausdruck"Sonnenseite" ist diejenige Fläche des Kollektors
bezeichnet, di- bei Sonnenschein der Sonnenstrahlung ausgesetzt ist.
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Eine derartige bekannte Anordnung weist jedoch die Nachteile auf,
die darin bestehen, daß 1) glasgedeckte Kollektoren einen erheblichen Anteil der
Sonnenstrahlen reflektieren und zwar hei rechtwinkligem Auftreffen derselben auf
die Kollektorfläche etwa 10 % je Glastafel und bei schrägem Auftreffen, z.B. bei
Morgen- oder Abendsonne bis über 75 %.
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2) Daß die Glastafeln durch den, beim Durchbrechen der Schallmauer
durch Überschallflugzeuge entstehenden Knall sowie durch Steinwurf oder llagelschlay
leicht zerstört werden können,
3) daß glasgedeckte Kollektoren infolge
von Reflexion leicht blenden können, so daß ein großer Teil des Publikums verylaste
Kollektoren unschön findet.
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Eine derartige mit Glas versehene Anordnung weist jedoch keine sehr
hohen Leistungskoeffizienten auf, da die Wärmeübertragungseinrichtung nur einen
geringen Leistunyskoeffizienten ermöglicht und zudem in der Herstellung und beim
Betrieb kostenaufwendig ist. Ws sind auch Kollektoren vorgeschlagen worden, die
auf dem Dach eines Wohnhauses Sonnenenergie zwischen Glastafeln und schwarz gefärbten
Aluminium-Wellblechen einfangen, wobei als zusätzliches Wärmetransportmedium Wasser
verwendet wird, welches vom Dachfirst über die Aluminiumbleche nach unten rieselt
und seine Wärme auf das zu erwärmende Raumfluidum überträgt. Auch eine derartige
Vorrichtung weist keinen sehr hohen Leistungskoeffizienten auf, da bei Verwendung
eines Wärmeaustauschers viel Wärme verloren geht.
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Derartige Kollektoren sind fest eingebaute Bestandteile eines hauses
und ein solches haus muß von Anfang an zweckentsprechend geplant sein. Derartige
Kollektoren kommen also nur für Neubauten infrage, welche verschiedene Bedingungen
erfüllen müssen, z.B. müssen sie eine Dachneigung von 70° in Bezug zur Horizontalen
haben. Derartig steile Dächer und die Glaseindeckung finden aus ästhetischen und
kostenmäßigen Gründen keinen Anklang beim Bauherrn. Selbst wenn solche Kollektoren
an bestehenden Häusern angebracht werden sollten, wäre diese Lösung unten brauchbar,
weil die nachträgliche Erstellung zu teuer ist.
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Ein anderer Vorschlag geht dahin, daß der Hauswand auf der Südseite
Glastafeln vorgesetzt werden und die hauswand selbst schwarz gestrichen wird. Bei
Sonnenschein erwärmt sich die Luft zwischen dem Gla uiid der Ilauswand; sie steigt
hoch und tritt durch Maueröffnungen in der Nähe der Zimmerclecke
ins
Zimmer, wobei kühlere Luft aus dem Zimmer durch entsprechende Maueröffnungen am
Zimmerboden in den "Glaskasten" nachfließt.
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Ein derartiger Vorschlag Glastafeln vor einer schwarzen Hauswand anzuordnen
ist ebenfalls nur bei Neubauten möglich, weil beispielsweise Fensterläden für einen
derartigen späteren Umbau im Wege stehen. Bei bereits erstellten Häusern ist es
jedoch aufwendig, derartige an sich einfache Kollektoren zu installieren, in diesem
Falle wäre es einfacher von Anfang an großflächige Fenster vorzuschen, welche Sonnenwärme
ins Zimmer hineinlassen und durch den sogenannten Treibhaus-Effekt wärmen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Verwendungsmöglichkeit
von Kollektoren zu erweitern und einen Kollektor zu schaffen, der auch bei bereits
hestehenden Bauten auf wirtschaftliche Weise installiert werden kann und mit dem
die Sonnenenergie bei geringeren Wärmeverlusten und mit größerem Leistungskoeffizienten,
als bisher möglich, genutzt werden kann.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Flachkollektor mindestens
einen Hohlraum für den Durchtritt eines zu erwärmenden Mediums mit einem auf der
einen Seite dieses Hohlraumes angeordneten, im wesentlichen in eine Richtung gerippten
Metallblech, daß oflit einem die Sonnenenergie absorbierenden Belag vorsehen st
Und eine auf der anderen Seite angeordnete Isoaltion aufweist.
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Es sit vorteilhaft, wenn das Metallblech trapezförmig profilierte
Rippen @@@@i@@, wobei es günstig ist, wenn der Abstand zwischen den Achsen der Rippen
ein Vielfaches der RIppenbreite beträgt.
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Es ist zweckmäßig, wenn die Isolation aus einer Schicht Isolierbeton
besteht, der vorzugsweise Kunststoffschaum-Granulat enthält.
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Es ist förderlich, wenn die Abschlußenden des Hohlraumes gegen dieAußenluft
mindestens teilweise aus Dichtungsstreifen aus weich-elastischem, vorzugsweise geschlossenzelligem
Polyurethan-Schaum bestehen.
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Der Flachkollektor kann so gestaltet sein, daß das Medium direkt das
zu erwärmende nutzbare Raumfluidum ist.
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Es ist hierbei vorteilhaft, wenn das direkt zu erwärmende Raumfluidum
Raumluft ist.
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Es ist vorteilhaft, wenn der Kollektor annähernd luftdicht ist und
eine Schikane für die Raumluftumwälzung enthält, die den Kollektor in mindestens
zwei von der zu erwärmenden Luft nacheinander zu durchströmenden Kammern unterteilt
ist.
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Es ist günstig, wenn das direkt zu erwärmende Raumfluidum zu erwärmende
Nutzflüssigkeit z.B. Schwimmbeckenwasser, ist.
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Vorteilhafterweise kann als direkt zu erwärmendes Raumfluidum sowohl
Raumluft als auch Nutzflüssigkeit dienen.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Lnnenseite des der Sonne zugewandten
Metallbleches mit Nutzflüssigkeit berieselbar ist.
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Es ist günstig, wenn die der Sonne zugewandte Außenseite des Metallbleches
des Kollektors mit Nutzflüssigkeit berieselt ist.
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Es ist förderlich, wenn der Kollektor nicht Bestandteil des zu heizenden
hauses ist.
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Die Vorrichtung kann so angeordnet sein, daß der Umlauf des Mediums
durch eine von derTemperatur im Kollektor abhängige automatische Zwangsumlaufeinrichtung
regelbar ist, wobei es vorteilhaft ist, wenn dem Kollektor eine Zwangsumlaufeinrichtung
und ein Teiflperaturmeßgerä.t zugeordnet sind, sowie eine temperaturgesteuerte Schaltvorrichtung
zum Ein- und Ausschlaten der Zwangsumwälzeinrichtung.
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Es ist förderlich, wenn der Kollektor mittels Kunststoffkleber, insbesondere
Epoxy zusammengefügt ist.
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In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele des Gegenstandes
der Erfindung dargestellt.
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Es zeigen: Fig. 1 einen Schnitt durch pin als Flachkollektor gestaltetes
Steildach eines Wohnhauses, Fig. 2 einen Schnitt nach er Linie I-I gemäß Figur 1,
Fig. 3 eine Ansicht eines un Kollektor bildenden Steildaches, wobei die Blechrippen
nicht dargestellt sind.
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Fig. 4 die Ansicht eines l'cllektors, bei Verwendung von Raumluft
als direkt zu erwärmenden Raumfluidum, Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie I-I gemäß
Figur 4, Fig. 6 einen Schnitt l l nach dr Linie II-II gemäß Figur 4,
Fig.
7 eine Regulirklappe für die Raumluftumwälzung bei der Anordnung gemäß Figur 4,
Fig. 8 ein anderes Ausführungsbeispiel eines Kollektors im Querschnitt, Fig. 9 den
Kollektor gemäß Figur 8 in Seitenansicht.
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In Figur 1 ist ein Dach dargestellt, das mit einem als Isolation 1
wirkenden Isolierbeton überdeckt ist mit im Abstand davon angeordneten Bahnen aus
profiliertem, sendzimir-verzinktem Metallblech 2, wobei durch den dazwischen gebildeten
Hohlraum 3 Luft zirkulieren kann.
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Abstandshalter 4 halten die Metallbleche 2 in vorbestimmtem Abstand
von der Isolation 1 des Daches fest, wobei die Längenausdehnung der Metaliblech-Bahnen
infolge Erwärmung zu berücksichtigen ist. Diese kann bei 6 m langen Metallblech-Bahnen
immerhin bis zu 4 mm betragen. Auf der Sonnenseite ist das Metallblech 2 nicht schwarz,
sondern beispielsweise dunkelbraun gestrichen. Schwarz ist als Dachfarbe unansehnlich.
Der Unterschied der Wärmeabsorbierung zwischen einer dunklen Farbe und schwarz kann
vernachlässigt werden. Hingegen ist die, die Isolation 1 bildende Betonfläche schwarz
gestrichen. Sie bleibt dem Betrachter verdeckt. Durch die schwarze Färbung sollen
möglichst wenig Wärmestrahlen reflektiert werden.
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Das Metallblech 2 kann mit einem selektiven Belag verseilen sein.
Es sind verschiedelle Arten selektiver Beläge bckannt. Sie sollen die Absorption
der Sonnenenergie an der Kollektoroberfläche erhönen, wobei eine solche bis zu 99
t erreichbar sein ;ol.
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Versuche haben ergeb:'0, eaG ein erfindungsgemäßer Kollektor ohne
Glasabdeckung überraschenderweise einen Wirkungsgrad
von über 50
oÓ aufweist.
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Ein in der Region Zürich aufgestellter Kollektor erreichte Temperaturen
von Maximum 740 im Sommer und 550 im Winter.
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Die einzelnen in Figur 2 dargestellten Ballonen des Metallbleches
2' können mittels Epoxydharz verklebt oder mittels aus Schaumstoff bestehenden Isolationsstrei
fen 5 gedichtet sein. Weiche, aus Schaumstoff bestetlende Dichtungsstreifen 6, zweckmäßigerweise
aus Polyurethan dichten den Hohlraum 3 gegen die Außenluft ab. Ein Schaumstoffstreifen
dient als Schikane 7 zum Führen der zu erwärmenden Luft. Der Abstandshalter 4 kann
aus einem U-förmig gebogenen Flacheisen bestehen.
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In Figur 3 ist ciie Ansicht eines Steildaches von Süden her dargestellt.
Anhand von Pfeilen ist der Umlauf der zu erwärmenden Luft angedeutet. Die Schikane
7 teilt den Hohlraum 3 (Figur 2) in zwei Kammern, von denen eine links, die andere
rechts der Schikane 7 liegt. Aus dem Zuluftkanal 10 strömt vom Wärmespeicher kommende
Luit in den Hohlraum 3 des Kollektors, wird dort bei Sonnenschein durch das warme
Metallblech erwärmt und wird dann durch die Schikane 7 nach oben geleitet und strünt
.ieJer, unter weiterer Erwärmung nach unten in den Abluftkanal 11, welcher die Luft
wieder in den Wärmespeicher zurückfährt. Derart wird ein geschlossener Luftkreislauf
gebildet, der durch ein nicht dargestelltes Gebläse umgewälzt wird. Dabei wird die
Wärmeenergie an den Speicher abgegeben.
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Selbstredend ist der Hohlraum 3 (Figur 2) auch um die Türen und Fenster
herum abgedichtet. Die Dichtungsstreifen 6 (Figur 2) können auch aus @ech bestehen.
Um Wärmeverluste zu vermindern ist jedoch eine Wärmeisolierung vorteilhaft.
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Belegt man den vorstehend beschriebenen Kollektor auf der Sonnenseite
zusätzlich mit Wellplatten oder flachen Bahnen aus durchsichtigem oder transparentem
Kunststoff, z.B.
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Polyester, so erhält man bei Sonnenschein höhere Kollektortemperaturen,
nicht aber ohne weiteres eine höhere Kollektorwirkung. Solche vorgeschaltete durchsichtigoi
Wellplatten sind jedoch nur in solchen geographischen Lagen wirtschaftlich, wo viel
Wind auftritt, z.B. in gewissen Berggegenden.
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Die Dichtungsstreifen 6 bestehen vorteilhafterweise aus geschlossenzelligem
Polyurthanschaum. Polyurethan ist sehr wetterfest. Man unterscheidet offenzelligen
Polyurethan-Schaum, der z.B. für Bettmatrazen Verwendung findet und den geschlossenzelligen,
der selten verwendet wird. Der letztere Fachausdruck weist darauf hin, daß bei der
Schaumherstellung darauf geachtet wird, daß die Gaszellen, die das Wärmeisoliervermögen
bewirken anläßlich der Aushärtung des Werkstoffes nicht platzen. Ein geschlossenzelliger
Polyurethan-Schaum weist etwa 90 % geschlossene Zellen auf. Durch diesen Schaum
dringt keine Luft hindurch, anders als bei Matrazen, durch welche man Luft blasen
kann.
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Die in der Beschreibung verwendete Bezeichnung "Glas" bzw. "Glastafel"
oder "GlasaBdeckung" beziehen sich auf sogenanntes Fensterglas, welches aus Siliciumdioxyd,
Natrium- und Calciumoxyd hergestellt ist. Die Bezeichnung Glas bezieht sich nicht
auf Modebezeichnungen, wie "Acrylglas", welches richtig als Acrylharz oder Acrylkunststoff
zu bezeichnen ist In den Figuren 4 bis 6 ist bei Verwendung von Raumluft aus direkt
zu erwärmendem Raumfluiudum ein Flachkollektor für Sonnenenergie an einer hauswand
1 angeordnet, wobei im weiteren der Flachkollektor für Sonnenenrgie lediglich
Kollektor
22 genannt wird, der aus einem sendzimir-verzinkten Metallblech 23 besteht, welches
auf der der Sonne zugewandten Seite mit dunkelbrauner Dispersionsfarbe versehen
ist. Die Rückseite des Kollektors 22 besteht aus als Isolation 24 wirkenden wärmeisolierenden
Platten, welche mit Abstandshaltern 25 auf dem Metallblech 23 abgestützt sind. 20
bis 30 cm ist ein zweckmäßiger Abstand. Die Innenseite der als Isolation 24 wirkenden
Isolierplatten ist schwarz. Eine Schikane 26 teilt den Zwischenraum 36 in zwei Kammern,
unten für Zuluft und oben für Abluft.
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Abschlußbleche 27 und 28 können mit dem Metallblech 23 zusammengeschweißt
werden. Das ist jedoch teuer und würde den Rostschutz zerstören. Deshalb wird vorgeschlagen,
die Abschlußbleche 27 und 28 U-förmig zu biegen. Sie werden nacheinander, mit einer
Sand-Epoxydharz-Mischung 9 teilweise gefüllt, wonach die aus dem Metallblech 23
und der Isolierung 24 bestehenden Wandteile hineingestellt und bis zur Erhärtung
des Epoxydharzes abgestützt wird. Derart wird eine wetterfeste, rostfreste und billige
Verbindung erzielt.
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In Figur 7 ist eine sehr ],ichte, wärmeisolierende Klappe 30 dargestellt.
die um eine Achse 31 drehbar ist und mit der z.B. während der Nacht dL wndöffnung
12 verschlossen werden kann. Steigt bei Sonnenschein die Temperatur im Kollektor
über einen vorbestimmten wert an, z.B. über 22°C, si biegt sich eine Bimetall-Lamellc
34 nach oben und öffnet die Klappe 30, so daß die durch eine Entnahmeöffnung 33
in der Wand des Gebäudes dem zu erwärmenden Raum entnommene abgekühlte Raumluft
nach ihrer Erwärmung im Kollektor durch eine Wandöffnung 32 wieder in den Raum des
llauses zurückzuströmen beginnt. Diese Luftumwälzung erfolgt durch Konvektion.
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Mittels einer Einstellschraube 35 kann das Ansprechen der Bimetall-Lamelle
34 auf eine bestimmte Temperatur eingestellt werden.
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Ist der Kollektor vom Hause weiter entferntaifgestellt, so wird evtl.
eine Zwangsumwälzeinrichtung in Form eines Umwälzventilators benötigt, der ebenfalls
durch eine Bimetall-Lamelle gesteuert werden kann.
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Insbesondere gibt es neben Einfamilienhäusern meist genügend Platz
zum Aufstellen der vorgeschlagenen Kollektoren, z.B. im Garten, wo sie gleichzeitig
auch als Windschutz dienen können. Aber auch an einer Garagenwand, auf dem Garagendach
oder auf einer Terrasse finden sie gute Aufstellplätze. An in Ost-West-Richtung
verlaufenden Grundstücksgrenzen lassen sich oft großflächige Kollektoren aufstellen,
ohne daß eine wesentliche Nutzungsminderung des Grundstückes zu befürchten ist.
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Die Kollektoren haben die Hauptaufgabe, die bereits bestehende Hausheizung
an Sonnentagen zu entlasten und damit Heizöl zu sparen.
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Der günstigste Neigungswinkel ist etwa von senkrecht bis zu 700 in
Bezug zur Horizontalen, da die Sonnenwärme vorzugsweise in der kalten Jahreszeit
benötigt wird, wenn die Sonne flach einstrahlt.
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2 3 Man kann mit 1 m² Kollektorfläche etwa 10 m² Zimmerluft erwärmen.
In Zürich rechnet man mit 600 Mega cal/m² = 680 kwh/m2 verfügbarer Sonnenenrgie
für das ganze Jahr.
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Wieviel davon in der E;ühlen Jahreszeit verfügbar bleibt, hängt vom
Wetter ab.
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Der Kollektor kann auch, im Grundriss gesehen, eine leicht gebogene
Form haben. Es ist auch möglich, den Kollektor z.B.
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mit Spalierobstbäumen zu bepflanzen, welche ja im Winter entlaubt
sind und daher dann öle Sonneneinstrahlung nicht beeinträchtigen.
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Gemäß dem in Figur 8 und 9 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein
Metallblech 41 des Kollektors mit Rippen 42 auf der Sonnenseite mit einem Belag
versehen, welcher selektriv Sonnenenergie absorbiert und wenig reflektiert. Dadurch
wird das Pletallblech 41 des Kollektors bei Sonnenschein erwärmt. Im Hohlraum 44
kann Luft zirkulieren. Die die Isolation 45 haltende Rückwand besteht aus Isoliermaterial,
um die Wärmeverluste zu reduzieren. Das Metallblech 41 des Kollektors und die die
Isolation 45 haltende Rückwand sind oben und unten mit Abschlußblechen 46 und 47
luftdicht abgeschlossen, so daß der Kollektor einen im wesentlichen geschlossenen
Kasten bildet. Dieser ist mittels eines als Schikane 48 wirkenden Leitbleches in
zwei Kammern unterteilt, so daß zu erwärmende Luft aus dem Hausinnern des lJauses
49 unten in den Kollektor eintreten kann, wobei sie dem erwärmten Metallblech 41
entlangzieht, i)Ci 50 sich um das die Schikane 48 bildende Leitblech herum in Gegenrichtung
wendet und beim Zurückströmen im oberen Kanal sich weiter erwärmt.
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Bei relativ kurzen Kollektoren kann der Luftumlauf durch natürliche
Konvektion bezirk werden.
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Bei relativ langen Kollektoren oder wenn diese etwas entfernt vom
Hause aufgestellt sind, ist für eine Zwangsumwälzung ein Ventilator 51 vorgesehen,
welcher nicht nur die Luftumwälzung regeln kann, sondern auch die Wärmeausbeute
erhöht.
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Es ist des weiteren vorteilhaft, den Lufteintritt (oder den Austritt)
in den Kollektor mit einem (nicht dargestellten )Ventil zu versehen, welches elektronisch
zusammen mit dem Ventil-tor gesteuert wird. Diese Steuerung kann mit einem Wärmefühler
am rletallblech 41 gekoppelt sein. Ist eine vorbestimmte Temperatur (Z.B. 35° C)
dort erreicht, so öffnet das Ventil und der Ventilator läuft an.
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Dann wird die erwärmte Luft ins Haus geblasen und entlastet damit
die bestehende Ölheizung. Das führt zu beträchtlichen Heizölersparnissen, unabhängig
von der Fläche des Kollektors. Es wurde des weiteren gefunden, daß ein solcher glasloser
Flachkollektor über 600 kcal/h/m2 leisten kann, auch bei Windstärke 3. Es wurde
ferner festgestellt, daß selbst im Winter ein Wärmeüberschuß über den Heizbedarf
erreicht werden kann. Es ist vorteilhaft, diesen Wärmeüberschuß zu verwenden und
zu speichern. Dieses kann, insbesondere am Anfang und am Ende der Heizperiode durch
Erwärmen eines Schwinslbades oder eines Wärmespeichers geschehen. Es kann ein Teil
der erwärmten Luft zur Heizung im Hause und ein anderer Teil der Luft zur Heizung
des Schwimmbades verwendet werden, wobei diese Anteile elektronisch gesteuert werden.
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Einfacher und wirkungsvoller ist es jedoch im oberen Teil des Kollektors
ein Wasserleitungsrohr 52 aus Kunststoff vorzusehen, welches mittels Wasser aus
dem Schwimmbad die Innenseite des Metallbleches 41 besprengt. Zu diesem Zweck ist
das Wasserleitungsrohr 52 gelocht gestaltet. Eine Pumpe 53 saugt Wasser aus dem
Schwimmbecken an, fördert es durch das Wasserleitungsrohr 52, über welches gegen
das Metallblech 41 rieselt. Unter den Kollektor wird das erwärmte Wasser aufgefangen
und läuft im Kanal 55 und über die Leitung 56 wieder in das Schwimmbecken 54 zurück.
Der Wärmeübergang vom Metallblech 41 auf das Wasser ist erheblich wirkungsvoller
als auf Luft.
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Es ist vorteilhaft, wenn eine auf dem Wasser schwimmende, bei Bedarf
entfernbare Wärmeisolierdecke verwendet wird.
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Da das Wasser derart vor Verschmutzung geschützt ist und auch im Kollektor
staubgeschützt zirkuliert, bleibt es rein.
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Selbstredend kann das erwärmte Wasser auch einem anderen, hier nicht
dargestellten Wärmespeicher zugeführt werden.
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Da die Wasserpumpe 53 nur arbeitet, wenn eine vorbestimmte Temperatur
im Kollektor angezeigt wird, kann ein Gefrierschaden nicht auftreten, da der Kollektor
und die Leitungen bei Frost von Wasser geleert sind.
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Der wesentliche Vorteil einer derartigen Gestaltung ist die Möglichkeit
ein Baukasten-System zu verwenden, welches kostengünstig ist. Auch kann die Sonnenwärme
mittels Luft und Wasser oder wahlweise jeweils mit Luft oder mit Wasser übertragen
werden. Natürlich kann der Kollektor auch auf dem idausdach, an Gebäudeteilen und
in verschiedenen Neigungen angeordnet werden. Bei geneigter Anordnung ist das Wasserleitungsrohr
52' außen angebracht und ein Auffangkanal 55' vorgesehen.
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Der Ausdruck "glasloser" Kollektor bedeutet, daß er auf der Sonnenseite
keine Glasabiei n aufweist.