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Bauelement zur Aufnahme und Abgabe von Strahlungswärme
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Im Zuge der Verknappung und Verteuerung gehen Anstrengungen dahin,
Heizenergie so sparsam wie möglich einzusetzen und Sonnenwärme nutzbar zu machen.
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In sonnenreichen Ländern ist es schon sehr lange bekannt und üblich,
Sonnenwärme zur Warmwassererzeugung und zu Raumheizzwecken zu benutzen. Dazu werden
Kupferblechplatten, die auf wasserführende Kupferrohrschlangen aufgelötet sind,
wobei das Ganze eingeschwärzt ist, in Kästen eingebaut dergestalt, daß die geschwärzte
Fläche der Sonne zugewendet ist. Die der Sonne abgewandte Fläche wird wärmeisoliert.
Das Ganze ist zur Sonnenseite hin in einigem Abstand durch eine Glasscheibe abgedeckt,
um Wärmeverluste durch Luftströmung zu unterbinden.
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Es sind weiterhin Kollektoren bekannt, die mit Spiegeln die Sonnenstrahlen
auf annähernd punkt- bzw.
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linienförmige Aufnahmeorgane bündeln. Diese scharf focussierenden
Systeme arbeiten nur bei klarem Sonnenschein und müssen der Sonnenbewegung nachgeführt
werden. Derartige Systeme sind von der Verwendung für allgemeine Heizzwecke ausgeschlossen.
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Demgemäß geht die augenblickliche Entwicklung dahin, die an erster
Stelle genannten Flachkollektoren weiterzubilden, um sie brauchbarer, billiger und
effektvoller zu gestalten.
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Anstelle der erwähnten Kupfer teile wird Aluminium oder Kunststoff
eingesetzt. Es sind auch aus Blech gepreßte Flachkörper mit Durchflüssen, sogenannte
Platinen, bekannt.
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Anstelle einfacher Schwärzung verwendet man Oberflächen, die ein günstiges
Verhältnis zwischen Wärmeaufnahme und -abgabe haben.
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Die zur Zeit üblichen Flachkörper zur Umsetzung der Sonnenwärme in
Heizleistung sind vorwiegend zur Montage auf Hausdächern ausgebildet und weisen
Einzelflächengrößen zwi-2 schen 0,5 und 2 m und Dicken zwischen 0,1 und 0,3 m auf.
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Sie können auf sonnenzugewandter Seite auf Schrägdächern verhältnismäßig
einfach montiert werden und müssen bei Montage auf Flachdächern zusätzliche Unterstützungsmittel
zur Schrägstellung entsprechend dem Hauptsonnenstand aufweisen.
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Die einzelnen Kollektoren können je nach Bedarf parallel, hintereinander
oder auch gemischt verbunden werden.
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Diese Sonenkollektoren ergeben auch in sonnenarmen oder bewölkten
Gebieten auswertbare und in der Praxis interessante Wärmegewinnungsmöglichkeiten.
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In jedem Fall handelt es sich um Bauelemente zur Aufnahme von Strahlungswärme.
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Andererseits spielt die Strahlungswärme auch bei der Heizung von
Ihnenräumen eine nicht unerhebliche Rolle neben anderen Heizarten. Dabei wäre wegen
der physiologischen Wirkung auf die sich in solchen Räumen aufhaltenden Personen
die Strahlungswärme in jedem Falle vorzuziehen.
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Bekannte Strahlungsheizer sind z.B. elektrische Widerstandsstäbe,
hinter denen ein Richtspiegel angeordnet ist.
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Andere bekannte Strahlungswärmequellen sind Glühplatten, die z.B.
mit Flaschengas beheizt werden und auch mit einem Richtspiegel versehen sind. Beide
Arten von Strahlungsheizern werden jedoch nur gelegentlich und kurzfristig eingesetzt.
Zum einen ist elektrische Energie als Edelenergie zu teuer, zum anderen können Brennerabgase
nur unter bestimmten Voraussetzungen in Räume abgelassen werden.
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Eine andere Strahlungsheizung ist z.B. die Deckenheizung, die fest
in Raumdecken eingebracht wird und mit niedriger Temperatur diffus strahlt. Will
man nicht elektrische Widerstände direkt in die strahlende Fläche einbauen, ist
die Erstellung teuer. Der direkte Einbau von elektrischen Widerständen verbietet
sich jedoch wiederum wegen hoher Stromkosten. Hier kann auch nicht auf billigen
Nachtstrom ausgewichen werden.
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Immerhin ist nachgewiesen, daß in vorwiegend strahlungsbeheizten
Räumen bei gleichem Wohlbefinden der Personen die Lufttemperatur wesentlich geringer
sein kann, als in konvektionsbeheizten. Kann die Lufttemperatur aber um auch nur
geringe Beträge gesenkt werden, sinkt der Heizenergiebedarf ganz erheblich.
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Damit ist der entscheidende Vorteil der Strahlungsheizung gegenüber
der Konvektionsheizung herausgestellt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bauelement zu schaffen,
das im Rahmen der vorstehend umrissenen breiten Aufgabe in der Lage ist, sowohl
Strahlungswärme aufzunehmen, als umgekehrt auch abzugeben, das sich also gleich
gut sowohl als Kollektor zur Aufnahme der Sonnenstrahlung, als auch als Strahlungsheizer
zur Beheizung, in Wirkungsumkehrung auch zur Kühlung, von Räumen optimal eignet.
Bei Verwendung als Sonnenkollektor soll es zugleich Aufgaben von Wärme-, Wetter-
und Geräuschschutz übernehmen, die ansonsten den üblichen und bekannten Dachabdeckungen
zugeordnet sind. Als Strahlungsheizer soll es ebenfalls weitere Funktionen, wie
Wärme- und Schallisolation übernehmen. Bei beiden Anwendungsgebieten soll es sowohl
bei Neubauten als fester Bestandteil integrierbar als auch nachträglich an bestehenden
Bauten anordenbar sein. Schließlich hätte es auch architektonischen Zwecken zu dienen.
Es soll dabei als Kollektor wie als Strahler auch bei senkrechter wie waagerechter
Anbringung funktionsfähig sein.
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Zur Lösung dieses Aufgabenkomplexes schlägt die Erfindung vor, ein
Bauelement zur Aufnahme und Abgabe von Strahlungswärme als rechteckiges, schüsselartig
vertieftes Gebilde aus wärmeisolierendem Werkstoff auszubilden, mindestens seine
vertiefte Vorderseite mit einer reflektierenden Oberfläche zu versehen und am Grunde
der Vertiefung die wärmetransportmittelführende Platine anzuordnen. Damit entsteht
ein Gebilde, das eine trompetenartige Bündelung der einfallenden bzw. abzugebenden
Strahlung zuläßt.
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Der Körper des Bauelementes kann vorzugsweise aus aufgeschäumtem
Kunststoff bestehen. Die reflektierende Fläche wird bevorzugt mit Aluminium gebildet.
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Es ergibt sich ein recht einfacher und billiger Herstellungsvorgang,
indem die Aluminiumfolie und gegebenenfalls
auch die Platine vor
Einbringen des Kunststoffs in die hierzu nötige Form eingelegt wird.
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Das Bauelement wird erfindungsgemäß vorzugsweise quadratisch ausgebildet
sein und dabei Größenverhältnisse um 0,1 m2 aufweisen, die eine bequeme Verlegung
etwa in der Art von z.B. Dachziegeln zulassen. Bei diesen Größenverhältnissen ergibt
sich auch ein technisch vernünftiges Maßverhältnis zwischen Kantenlänge des Bauelementes
und der zur ausreichenden Strahlenbündelung notwendigen Tiefe.
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Dabei wird erfindungsgemäß aus der beschriebenen Bündelungswirkung
auch eine etwa im Verhältnis 1 : 2 bis 1 : 3 liegende Einsparung an teurer Platinenfläche
sowie die Möglichkeit einer Temperaturerhöhung gegenüber üblichen Flachkollektoren
erreicht.
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Die Außenkanten sind in an sich beliebiger Weise mit Nut und/oder
Feder versehen, um eine abdichtende Verlegung im Verbund zu erlauben und damit leicht
die erforderlichen Gesamtflächen zu erreichen.
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Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, jeweils zwei
benachbarte der vier annähernd trompetenartig nach innen gezogenen Schrägflächen
steilwinkelig anzulegen und den beiden gegenüberliegenden, wiederum benachbarten
Flächen eine flachere Steigung zu geben. Damit entsteht die Möglichkeit, je nach
Wunsch z.B. abhängig von der Dachneigung und Dachrichtung sowie senkrecht oder waagerecht,
die mit der unterschiedlichen Neigung der Flächen erzielte Schräge der Bündelungsachse
richtcharakteristisch einzustellen. Dies gilt auch bei Verwendung des Bauelementes
als Strahler in Räumen. Hier kann die Wärme entsprechend individuell bestehenden
Wünschen gerichtet oder in bestimmten Raumbereichen konzentriert werden.
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Die Unterteilung in kleine Einheiten ergibt bei geringem Einzelgewicht
eine billige Herstellung und bequeme Handhabung und die Abdeckscheibe z.B. aus Glas
kann bei Einhaltung mechanischer Sicherheit dünn, also sehr strahlungsdurchlässig
und billig gewählt werden.
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Aus der Unterteilung in Kleineinheiten ergibt sich außerdem die Möglichkeit
der automatisierten billigen Großfertigung und der Ausnutzung von deren Sondervorteilen.
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Insbesondere trifft dies zu für die Fertigung der strahlungsdurchlässigen
Abdeckung.
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Erfindungsgemäß wird sie neben ihrer möglichen geringen Dicke in
Ausnutzung der entstandenen Fertigungsmöglichkeit in z.B. Spritzgießmaschinen so
ausgebildet, daß an ihrer Innenfläche zu ihrer Ebene senkrecht gerichtete, rostartig
angeordnete Stege angebracht sind. Diese erlauben einerseits eine hohe mechanische
Festigkeit bei geringem Materialaufwand, gegebenenfalls bis zur Begehbarkeit, zu
erreichen.
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Zum anderen wird mit ihnen erreicht, daß verlustbringende thermodynamische
Luftbewegungen im Inneren des schüsselförmigen Körpers des Bauelementes vor der
Abdeckung unterbrochen werden. Sie übernehmen damit in billiger und besonders vorteilhafter
Weise auch die Funktion der sonst oft notwendigen doppelten Glasscheibe.
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Weiterhin kann sie in Ausnutzung der gegebenen Fertigungsmöglichkeit
so ausgebildet sein, daß sie als solche oder in Verbindung mit den genannten Stegen
leicht wellig oder leicht höckerig ist. Damit wird erreicht, daß bei Anwendung als
Kollektoren umgebungsstörende, gleißende Sonnenreflektionen nicht auf treten, während
die Oberfläche so glatt bleibt, daß z.B. das Abgleiten von Schnee nicht gestört
wird. Bei Anwendung als Heizer ergibt dies, daß im Raum kein unangenehmer, zu technischer
Eindruck entsteht.
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Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, sie so auszubilden, daß die
leichte Welligkeit bzw. Höckerigkeit durch linsenähnliche Ausbildung zu einer Funktion
ähnlich der einer Fresnellinse geführt wird.
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Ein weiterer Vorteil aus der Unterteilung in Kleineinheiten in Verbindung
mit der vorgenannten besonderen Möglichkeit, Stege auf der Innenfläche der Abdeckung
anzubringen, liegt darin, daß bei den technologischen Eigenschaften wie z.B. Festigkeit
und Dampfdichte heute bereits bekannter Werkstoffe, z.B. Acrylglas für die Abdeckung
und Polyurethanhartschaum für den schüsselförmigen Körper des Bauelementes dieses
ohne weiteres hermetisch versiegelt werden kann und so vor Kondenswasserbildung
in ihrem Inneren sicher sind ohne implodieren oder explodieren zu können.
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Dies kann dazu ausgenutzt werden, entsprechende Ventile anzubringen,
die es erlauben, das Innere der erfindungsgemäß ausgebildeten Bauelemente auf Unter-
bzw. Überdruck einzustellen, wobei Unterdruck besonders vorteilhaft ist, da er Wärmeverlust
senkt.
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Aus der erfindungsgemäßen Größenauswahl und Formgebung entstehen
auch besondere Vorteile für die wärmetransportmittelführende Platine.
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Diese nlmntinfolge der Wahl trompetenförmiger Einstrahlung nur 1/2
bis 1/3 der Gesamtfläche des Bauelementes ein.
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Da dieses selbst nur um 0,1 m2 groß ist, hat die Platine eine Größe
von etwa 0,05 bis 0,033 m2, bekommt also bei quadratischer Ausführung nur Kantenlängen
von 0,22 bis 0,18 m.
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Solche Größen sind mit bekannten Mitteln über entsprechende Formelektroden
bzw. Halter ohne weiteres in einem
Arbeitsgang aus zwei entsprechend
vorgepreßten Blechen widerstandsschweißbar oder induktionslötbar, also billig herzustellen,
vorausgesetzt man entscheidet sich für Herstellung aus Metall, was vorerst zumindest
aus heutiger Sicht am sichersten erscheint.
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Da bei der Kleinheit der Platine auch nur ein kleiner Durchflußquerschnitt
erforderlich ist und dieser auf eine Vielzahl von einzelnen Kanälen aufgeteilt wird,
ist, entsprechende Korrosionssicherheit vorausgesetzt, die Verarbeitung sehr dünnen
Bleches möglich und damit die Verwendung von Edelmaterialien wie verzinntem Kupfer
oder korrosionsfestem Edelstahl vom Gesichtspunkt der Herstellungskosten vertretbar.
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Außer diesen Vorteilen wird durch das Bauelement erreicht, daß das
häßliche, zu strenge technische Bild bisheriger Flachkollektoren wieder aufgelöst
wird in das bekannte Bild einer traditionsgemäßen Dachabdeckung.
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Analog dazu gilt für die Heizungsnutzung des Bauelementes, daß auch
hier kein strenges technisches Bild, sondern dasjenige einer Kassettenwand bzw.
-decke entsteht.
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Eine Nutzung von Flachkollektoren, zu denen das erfindungsgemäße
Bauelement grundsätzlich gehört, zu idealer Auffangung von Sonnenenergie ist aus
ihrem Wesen nie möglich, da dazu eben nachgeführte und focussierende Einrichtungen
benutzt werden und wolkenfreie Sonneneinstrahlung vorhanden sein müßte.
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Das erfindungsgemäße Bauelement bietet aber durch Wahl einer trompetenähnlichen
Bündelung die von der Senkrechten zur Ebene des Elementes abweicht, die Möglichkeit,
es in Vielzahl mit immer demselben Einzelelement durch Wahl der Einbaulage auf örtlich
oder baulich gegebene Bestkompromisse einzustellen.
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So können je nach Wunsch z.B. alle Elemente einer Gesamtfläche
auf
beste Morgen-, Mittag- oder Abendeinfangrichtung gedreht eingebaut werden oder es
kann gruppenweise, z.B. mit thermofühlenden Ventilen, so in der Gesamtzahl einer
flächenbildenden Vielzahl der Einzelelemente ausgewählt werden, daß die jeweils
günstigste Gruppe am stärksten zur Wärmeauffangung herangezogen wird.
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Bei Raumheizung durch Strahlung erscheinen zunächst die Probleme
geringer, jedoch gilt hier das Ziel der Energieeinsparung. Einmal ist solche mit
den erfindungsgemäßen Bauelementen in hohem Maße möglich, weil, wie erwähnt, Strahlungsheizung
volles Wohlbefinden auch bei niedriger Lufttemperatur ermöglicht, weil weiterhin
bei Benutzung erfindungsgemäßer Bauelemente bestimmte Raumbereiche verstärkt, weniger
benutzte geringer ausgestrahlt werden können.
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Ein hervorragendes Charakteristikum der Strahlungsheizung ist aber
zudem, daß sie schnell nach Inbetriebnahme physiologisch wirksam wird. Das bedeutet,
daß wiederum in Rückbezug auf die erfindungsgemäße Aufteilung in Kleineinheiten
zonenweise über z.B. Solenoidventile die Beheizung geschaltet werden kann, ähnlich
wie es üblich ist, Beleuchtung zu schalten.
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Auch hier ist die trompetenähnliche Bündelung und die Neigung der
Bündelungsachse gegenüber der Senkrechten zur Bauelementebene wichtig. Aus beiden
resultiert, daß einmal, auch in Rückbezug auf die Aufteilung in Kleineinheiten,
die Strahlung gezielt eingesetzt werden kann und sowohl von waagerechten Decken
und bei trittsicherer Ausführung von Fußböden, als auch von schrägen Decken, sowie
von senkrechten Wänden gestrahlt werden kann.
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Es wurde schon gesagt, daß die Unterteilung auf Ein-2 heitsgrößen
um 0,1 m die zur Bündelung nötige Dicke in vernünftigen Maßen hält. Praktisch hat
sich ergeben, daß dann
eine Dicke um 0,08 m gegeben ist. Diese
liegt im Bereich sonst üblicher Wärme- und/oder Schallisolierung, welche die erfindungsgemäßen
Bauelemente vollkommen übernehmen können, die auch flächengleich mit nicht aufnehmenden
bzw. abstahlenden Flächen, wie Verputz, gebaut werden können.
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Das Bauelement übernimmt neben seiner Hauptaufgabe auch Wetterschutz,
Wärme- und Schallisolation. Es ist schnell und einfach austauschbar und wartungsfrei,
es kann durch seine Gestaltung wirksam werden sowohl in Richtung auf die Baukonstruktion
als auch in Richtung auf die Befriedigung geschmacklicher Bedürfnisse.
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Weitere Merkmale der Erfindung und Einzelheiten der erreichten Vorteile
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung des in den beigefügten rein schematischen
Zeichnungen dargestellten Erfin ungsgegenstandes.
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Fig. 1 zeigt das erfindungsgemäße Bauelement in der Draufsicht, in
Fig. 2 ist ein Querschnitt wiedergegeben, in Fig. 3 ist in einem Teilquerschnitt
perspektivisch eine Abdeckung mit rostartigen Stegen dargestellt, in Fig. 4 ist
im Teilquerschnitt eine wellige Ausführungsmöglichkeit dargestellt, in Fig. 5 ist
im Teilquerschnitt eine linsenartige Ausbildung der Abdeckung dargestellt.
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Nach Fig. 1 und 2 stellt das Bauelement ein schüsselartig vertieftes
Gebilde dar und sein Hauptkörper 1 besteht aus
wärmeisolierendem
vorzugsweise aufgeschäumten Werkstoff. Bei der dargestellten Ausführungsform ist
es quadratisch mit vier Seitenkanten 2, 3, 4 und 5 ausgebildet. Der durch die schüsselartige
Vertiefung gebildete Innenraum ist durch eine Abdeckung 14 aus durchsichtigem oder
durchscheinendem Werkstoff gegenüber der übrigen Atmosphäre abgedeckt. Die vier
Seitenkanten 2, 3, 4 und 5 setzen sich nach innen in schräge Seitenwandungen 6,
7, 8 und 9 fort.
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Zwei benachbarte dieser Seitenwandungen, z.B. 6 und 7 weisen einen
geringeren, die gegenüberliegenden beiden Seitenwandungen 8 und 9 einen steileren
Neigungswinkel auf.
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Das ganze Innere des Bauelementes ist reflektierend mit z.B. Aluminiumfolie
überzogen. Diese bedeckt also den Boden 11 der schüsselartigen Vertiefung genauso
wie die Seitenwandungen 6,7, 8 und 9.
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Über den Boden 11 erstreckt sich eine Platine 12, in der das Wärmetransportmittel,
z.B. Wasser, geführt und durch Rohrstutzen 13 zu- und abgeleitet wird. Auch die
Platine 12 kann aus durchsichtigem bzw. durchscheinendem Werkstoff bestehen und
dann auf ihrer Unterseite wärmeabsorbierend ausgebildet sein.
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Ein dergestalt ausgebildetes Bauelement, das in den Fig. 1 und 2
etwa im Maßstab 1 : 2,5 verkleinert dargestellt ist, eignet sich sowohl zur Aufnahme
von Strahlungswärme, also als Strahlungskollektor, als auch zur Abgabe von Strahlungswärme,
also als Strahlungsheizer. Durch die Schrägflächen 6, 7, 8, 9 entsteht eine trompetenähnliche
Bündelungswirkung, durch die verschiedene Neigung der Seitenflächen ist eine Richtwirkung
schräg von der Senkrechten zur Bauelementebene gegeben.
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In Fig. 3 ist in einem Teilquerschnitt perspektivisch eine Abdeckung
14 mit an ihrer Innenseite angebrachten in der einen Richtung laufenden Stegen 15
und quer dazu rostartig laufenden Stegen 16 gezeigt. Diese Stege 15 und 16 geben
der Abdeckung 14 einerseits bei geringstem Materialaufwand eine sehr hohe Durchbiegesteifigkeit
bzw. Tragkraft und verhindern andererseits, daß die bei jeder Temperaturdifferenz
im Hohlraum des Bauelements thermodynamisch entstehende Luftumwälzung die immer
kältere Abdeckung 14 verlustbringend überströmt.
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Sie übernehmen also in besonders vorteilhafter Weise neben der Aufgabe
der Versteifung bzw. Materialeinsparung auch die Aufgabe der bei bisherigen Kollektoren
oft notwendigen teuren Doppelabdeckung.
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In Fig. 4 ist in einem Teilquerschnitt dargestellt, wie die Oberfläche
der Abdeckung 14 mit Wellen bzw. Höckern ausgestattet ist. Mi ihnen wird erreicht,
daß die bei bisherigen Sonnenkollektoren oft bemängelten gleißenden Reflektionen
nicht auftreten. Dieses gilt auch für die Verwendung des Bauelementes als Strahler
bei der Raumheizung.
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Besonders erfindungsgemäß werden zur Entstehung der Wellen bzw. Höcker
auf billigste Weise die beim Spritzgießen der Abdeckung 14 durch die Materialschrumpfungen
beim Erstarren des Spritzgutes bei den Anschlußstellen der Stege 15 und 16 entstehenden
leichten Oberflächeneinsackungen herangezogen.