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Sonnenkollektor
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Die Erfindung betrifft einen Sonnenkollektor mit einem plattenförmigen
Absorber und einer mit Abstand über diesem gehaltenen, für Wärmestrahlen durchlässigen
Deckscheibe, die durch eine aus Profilstäben gebildete Rahmenkonstruktion zwischen
einem Auflagerahmen und einem Deckrahmen gehalten sind.
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Bei bekannten Sonnenkollektoren dieser Art sind die Deckscheibe und
Absorber aneinander haltenden Rahmen in der Regel durch mehrere Schrauben an jedem
Profilstab miteinander verbunden.
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Diese Befestigungsart ist schon etwas umständlich, und die Schraubenverbindungen
lassen sich, da die Teile oft jahrelang der Witterung unmittelbar ausgesetzt sind,
mitunter nur durch Zerstören der Schrauben lösen. Vor allem aber sind Deckrahmen
und Auflagerahmen unterschiedlicher Temperatureinwirkung ausgesetzt und unterliegen
daher verschiedenen WErmedehnungen, was zu Zwangskräften und Verformungen führt,
welche Funktion und Wirkungsgrad des Sonnenkollektors beeinflussen können.
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Die Erfindung dient der Aufgabe, einen Sonnenkollektor mit möglichst
einfachen Mitteln so zu gestalten, daß er leicht und bequem zusammengefügt werden
kann und trotz großer Haltesicherheit die Funktion des Kollektors beeinflussende
Verspannungen zwischen Deckrahmen und Auflagerahmen verhindert.
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Zur Lösung dieser Aufgabe weist erfindungsgemäß die Verbindung der
beiden Rahmen zwischen ihren Profilstäben angebrachte, quer zu deren Längsrichtung
in der Rahmenebene federnd auslenkbare auf Rastelemente4 die wenigstens längs einem
Profilstab einstellbar und durch quer zur Rahmenebene am Deckrahmen über federnd
nachgiebige Zwischenglieder auf den Auflagerahmen ausgeübten Druck in Rasteingriff
zu bringen sind. Die Verbindung wird also lediglich dadurch hergestellt, daß man
den Deckrahmen auf den Auflagerahmen drückt, wobei trotz begrenzter Druckkräfte
vielfach größere Rast- oder Haltekräfte gesteuert werden können. Da aber die Rastelemente
wenigstens längs einem Profilstab einstellbar sind, können die aneinander verrasteten
Profilstäbe sich in Längsrichtung zueinander frei einstellen und damit auch unterschiedlich
ausdehnen, ohne daß die Haltekraft oder die Andruckkraft zwischen ])eckscheibe und
Absorber und damit deren Relativeinstellung zueinander beeinflußt wird.
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Vorzugsweise werden die federnd nachgiebigen Zwischenglieder durch
eine herausnehmbare Dichtung aus gummielastisch verformbarem Werkstoff gebildet,
die einen zwischen beiden Profilstäben verbleibenden Zugangs spalt für die Rastelemente
nach außen abdeckt. Die Dichtung kann im Prinzip einstilekig ringsumlaufend sein,
es ist aber völlig hinreichend, wenn man einzelne Dichtungs-Profilleisten verwendet,
die dann auch nacheinander leicht herausgelöst werden können. Die Dichtung schirmt
also auch den Ras-traum nach außen ab, legt diesen aber ggf. frei, so daß man von
außen die Rastung lösen kann.
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Als zweckmäßig hat es sich erwiesen, in beiden Rahmen F5hrungsnuten
mit Halterippen für die in diesen Nuten längseinstellbaren Rastelemente vorzusehen
und die Halterippe an einem von zwei zusammenwirkenden Profilstäben mit einer Montageöffnung
zu versehen, die größere Breite hat als ein Rastelement. Zum Lösen der Rastverbindung
muß man daher nach Abnehmen der äußeren Dichtung die Rastelemente lediglich mit
einem Schraubenzieher oder einem anderen stabartigen Werkzeug in ihrer Führung so
längsverschieben,
bis die Montageöffnung erreicht ist. Man kann
dann, da auch die Rastspannung gelöst ist, die Rastelemente einer Leiste nacheinander
durch die Montageöffnung hindurch zur Seite schieben, bis der Deckrahmen frei abgenommen
werden kann und dann auch die Rastelemente von oben zugängig sind.
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Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung hat jedes Rastelement
einen in der Rahmenebene liegenden Führungsflansch, einen von diesem quer abstehenden
Steg und einen vom Stegende widerhakenartig zurückragenden, federnd verschwenkbaren
Riegelarm. Sobald beim Eindrückvorgang das freie Ende des Riegelarmes hinter die
zugehörige Halterippe gelangt, wird durch Federkraft der Riegeleingriff hergestellt.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist das Rast element einen
im Deckrahmen verschiebbar gehaltenen Führungsschuh auf, dessen Steg den als Blattfeder
ausgebildeten Riegelarm trägt.
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Zweckmäßigerweise ist dabei die Blattfeder V-förmig ausgebildet und
mit einem Ende am Führungsschuh eingespannt. Diese Einspannung läßt sich beispielsweise
dadurch vorteilhaft herstellen, daß das Einspannende der Blattfeder mit mehreren
Durchbrechungen versehen und durch Umgießen im Führungsschuh verankert wird.
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Da einerseits Deckscheibe und Absorber gegenüber den beiden Rahmen
und andererseits diese gegeneinander durch eine Dichtung aus gummiartigem Werkstoff
abgestützt sind, kommt man in der Regel mit einer einzigen Raststufe aus. In Sonderfällen
können jedoch dem Riegelende des Rastelementes mehrere, in Eindrückrichtung aufeinanderfolgend
zur Wirkung kommende Halteflächen zugeordnet werden. Diese können sich stufenweise
aneinanderfügen oder durch eine gemeinsame Angriffsfläche gebildet sein, die zur
Schwenkkurve des Riegelendes unter einem Winkel geneigt sind, der kleiner ist als
der Reibungswinkel.
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Bei bekannten Sonnenkollektoren ist zwar auch eine Baueinheit von
Absorber und Deckscheibe bekannt. Dabei geht es jedoch im wesentlichen nur um die
räumliche Zuordnung. Da die umschlossene Luft ihr Volumen in Abhängigkeit von der
Temperatur Endert, erfolgt ständig ein begrenzter Luftausgleich, der in der Regel
durch die Randbegrenzung hindurch erfolgt, bei Verwendung von Kunststoffdeckscheiben
aber auch unmittelbar durch die Scheibe hindurch. Bei den sich dabei einstellenden
Luftströmungen werden auch kleine Schmutzteilchen bewegt, die sich aufgrund elektrostatischer
Haftkräfte an der Innenseite der Deckscheibe niederschlagen. Der hierdurch gebildete
Belag mindert die Strahlungsdurchlässigkeit der Deckscheibe und damit den Wirkungsgrad.
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Nach einem weiteren Erfindungsvorschlag sind dagegen Absorber und
Deckscheibe durch einen rahmenförmigen Abstandhalter aneinander abgestützt und am
Rand durch eine gasdichte Abdichtung verbunden, wobei der umschlossene Raum ein
Feuchtigkeit absorbierendes Mittel aufnimmt und mit einem Druckausgleichsmittel
in Verbindung ist.
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Hier werden zunächst LuStströmungen durch die Umrahmung hindurch verhindert
und damit auch das Eindringen kleiner Schmutzteile. Es ist ohne weiteres möglich,
das eingeschlossene Luftvolumen weitgehend staub- und verunrenigungsfrei zu halten,
so daß ein Beschlag auf der Innenseite der Deckscheibe vermieden wird. Da diesem
begrenzten Luftvolumen auch die Feuchtigkeit dauerhaft entzogen ist, kann sich weder
Kondensat niederschlagen, noch die Deckscheibe feucht beschlagen. Der zusStzlich
vorgesehene Druckausgleich, der vor allem die auf die Abdichtung wirkenden Kräfte
herabsetzt, läßt sich aber auch auf verhältnismäßig einfache Weise erreichen. Beispielsweise
kann der durch dünne Bleche gebildete Absorber als Druckausgleichs-Membran quer
zu seiner Ebene verfqrmbar ausgebildet sein.
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Um die hier notwendige Verformung und die Einspannung des Aggregates
im Rahmen ohne zu große Werkstoff-Beanspruchung zu ermdglichen, sollte die Strömungsführung
für das Wärmetauschermedium so gewählt werden, daß sie möglichst wenig zusätzliche
Spannung verursacht. Hierzu werden die Leitungsanschlüsse für das Wärmetauschermedium
im Mittelteil des plattenförmigen Absorbers angebracht, und der Mittelteil des in
den Absorber eingeformten Strömungskanals wird mit etwa gleichem Abstand vom Rand
des Absorbers als Ringkanal geführt.
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Im gesamten Randbereich und damit im Bereich der Einspannung zwischen
den beiden Rahmen herrscht dann praktisch gleiche Temperatur. Nur im mittleren Bereich
mit geringerem Verformungswiderstand können auch größere Temperaturdifferenzen zugelassen
werden.
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Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die innerhalb des Ringkanals
angebrachten Zwischenkanäle symmetrisch zu einer Mittelebene anzubringen, wobei
die den Zulaufanschluß strcmungsmäßig benachbarten Kanalteile auf der einen, die
dem Ablaufanschluß benachbarten Kanalteile auf der anderen Seite der Mittelebene
angebracht sind. Auf der einen Seite herrscht dann eine etwas niedere, auf der anderen
eine etwas höhre Temperatur, was sich nur in der Mittelebene auswirkt, wo aber wegen
des größeren Abstands vom Einspannrand auch größere Verformungen zugelassen werden
können.
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Als zweckmäßig hat es sich schließlich erwiesen, die beiden Kanalteile
mäanderförmig zu legen. Dabei ändert sich dann die Temperatur in den einzelnen Kanalabschnitten
von innen nach außen gleichmäßig, jedoch in beiden Hälften gegensinnig. Wenn dabei
noch die Enden der Mäander-Schleifen zur Mitte hin abgebogen sind, wird allseitig
vom Rand her ein gleichmäßiges Temperaturgefälle bis zum mittleren Teil der Mittelebene
erreicht, die Spannungen also außergewöhnlich herabgesetzt.
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Die Zeichnung gibt die Erfindung beispielsweise wieder. Es
zeigen
Fig. 1 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Sonnenkollektors von oben gesehen, Fig.
2 einen Schnitt nach der Linie II-II in Fig. 1, Fig. 3-eine räumliche Darstellung
eines erfindungsgemäß verwendeten Rastelementes, Fig. 4 einen Querschnitt dieses
Rastelementes, Fig. 5 einen den Demontagevorgang zeigenden Schnitt nach der Linie
V-V in Fig. 1 und Fig. 6 einen der Fig. 2 entsprechenden Schnitt durch eine abgewandelte
Ausführungs.form der Erfindung.
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Der in den Fig. 1 und 2 gezeigte Sonnenkollektor besteht im wesentlichen
aus dem Absorber 1, der mit Abstand über diesem gehaltenen Deckscheibe 2 mit rahmenförmigem
Abstandshalter 3 und einer disen ringsumgebenden Abdichtung 4, welche Platteneinheit
zwischen einen Deckrahmen 5 und einem Auflagerahmen 6 verspannt ist der wiederum
auf dem Rand eines Grundrahmens 7 aufsitzt und gegenüber einem tragenden Gebäudeteil
9 durch eine Wärmedämmzlatte 10 etwa aus Polyurethanschaum abgeschirmt ist.
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Die Deckscheibe 2 besteht aus mechanisch widerstandsfähigem weißen
Glas mit einem Durchlaßwirkungsgrad von mehr als 90° für Wärmestrahlen. Auf ihrer
Oberseite 21 ist sie leicht entspiegelt, jedenfalls so gestaltet, daß die auftreffenden
Licht-und Wärmestrahlen so weit wie irgend möglich eingeleitet und nicht reflektiert
werden, die Scheibe also auch nicht als Spiegel wirkt. Die im Glasquerschnitt auftretende
Energieabsorbtion ist kleiner als 1 8, möglichst kleiner als 0,5 % gehalten.
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Auf der Innenseite der Deckscheibe 2 ist dagegen eine Einweg-Reflektionsschicht
22 aufgebracht, welche die von außen eintreffende Strahlung nahezu verlustlos durchläßt,
eine vom Absorber 1 ausgehende Strahlung jedoch möglichst vollständig reflektiert.
Schließlich ist auf der Oberseite des Absorbers 1 eine Absorbtionsschicht 11 angebracht,
welche Reflektionen möglichst vollständig verhindert und den Übergang der auftreffenden
Energiestrahlung in den Absorber optimal verbessert.
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Dies kann beispielsweise durch eine schwarze oder andere geeignete
Eloxatschicht auf dem aus Aluminiumblech gebildeten Absorber geschehen, ggf. auch
durch eine Lackschicht.
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Der rahmenförmige Abstandhalter 3 kann im Prinzip starr, aber auch
in geringem Maße elastisch verformbar sein, so weit dadurch die Abdeckung nicht
beeinträchtigt wird. Er sollte einen Trockenstoff bzw. Feuchtigkeit bindendes Mittel
enthalten, etwa Silikagel oder unter dem Namen "Molekular-Siebe" bekannte Trocknungsmittel.
Der Rand des Abstandshalters ist zwischen den Teilen 1 und 2 dauerelastisch gasdicht
durch die Abdichtung 4 versiegelt.
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Damit ist der zwischen den Teilen 1 bis 4 umschlossene Raum 31 ringsum
vollständig abgesch'ossen. Die in diesem Raum vorhandene Feuchtigkeit ist nahezu
vollständig durch den Trockenstoff gebunden, so daß sich bei Temperaturänderungen
kein Kondensatniederschlag bilden-und die W§rmeeinstrahlung hindern könnte. Die
Luft kann vor dem ermetischen Abschluß durch Ausfiltern oder elektrostatisches -Abscheiben
aller feinen Partikel praktisch staubfrei gemacht werden, so daß weder durch elektrostatische
Kräfte, noch lurch Konvecion Ablagerungen an der Deckscheibe 2 bzw. der erlektionsschicht
22 möglich sind.
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Zwar ändert sich das Volumen der eiIgeschlossenen Luft mit der herrschenden
Temperatur, die auf der Absorberoberfläche im Bereich von 1000C liegen kann. Der
Absorber ist jedoch aus Aluminiumblechen mit einer Dicke von ca. 0,5 mm hergestellt
und nur an seinem Rand eingespannt. Zudem hat er quer zu seiner Ebene von der Wärmedämmplatte
10 einen Abstand a, der etwa 60 % der lichten Weite des umschlossenen Raumes 31
entspricht. Durch Ausbauchen des plattenförmigen Absorbers kann sich daher das Volumen
des Raum 31 bis zu 20 % vergrößern.
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Um diese Verformung zu erleichtern, kann auch mit Abstand innerhalb
der Randeinspannung eine ringßumlaufende Sicke eingeformt werden.
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Die beiden unterseitig am Absorber angebrachten Rohranschlüsse, beispielsweise
Zulaufanschluß 12 und Rücklaufanschluß 13 sind dicht bei der Plattenmitte zu beiden
Seiten einer lotrecht zum Absorber stehenden Mittelebene 14 unter 450 zueinander
versetzt angebracht, so daß sie in Längs- oder Querrrichtung der Platte mit gehäusefesten
Leitungen angefahren werden können.
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Da diese Leitungen in der Plattenebene liegen, können sie Verformungsbewegungen
des Absorbers ohne weiteres aufnehmen.
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Wie Fig. 2 erkennen läßt, sind in die beiden Halbschalen des Absorbers
jeweils langgestreckte Sicken 35 eingeformt, die Strömungskanäle 36 für das Wärmetauschermedium
bilden. Wesentlich ist zunächst, daß in der Mitte der Strömungsverbindung zwischen
den Anschlüssen 12 und 13 ein Ringkanal 37 mit etwa gleichU.leibendem Abtand vom
Plattenrand glegt ist.
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Über winkelförmige bzw. U-förmige Mäanderschleifen 38 bzw. 39 steht
die Ringleitung mit dem Zulaufanschluß 12 und dem Rückiaufanschluß 13 in Verbindung.
Die von diesen Anschlüssen direkt ausgehenden Kanalteile 12a und 12b liegen einander
zwar auf kurzem Abstand direkt gegenilber, so daß in der Mitte des Absorbers über
die Mittelebene 14 hinweg ein verhUltnismJißig großes Tempraturgefälle herrscht.
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Vom Kanalteil 12a ausgehend steigt aber die Temperatur stufenweise
bis zur Ringleitung 37 an, und sie fällt von dieser Ringleitung wieder stufenweise
annähernd gleichförmig bis zum Kanalabschnitt 12b. Dies gilt dank der winkelförmigen
bzw. U-förmigen Ausbildung der Mäanderschleifen 38 und 39 auch längs der Mittelebene
14. Die oberhalb dieser Mittelebene in Fig. 1 liegende Plattenhälfte hat daher kälteres,
die ablaufseitige untere Plattenhälfte wärmeres Niveau, wobei über die Mittel ebene
hinweg die Temperaturdifferenz wiederum von außen nach innen größer wird. Im mittleren
Bereich ist aber der Absorber in weitem Maße frei verformbar, so.daß Zwangskräfte
dort sich ausgleichen können, ohne daß merkliche Spannungsspitzen auftreten.
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Der Halterahmen 6 stützt sich mittels einer Dichtung 23 auf dem Steg
des aus Winkelprofilen gebildeten Grundrahmens 7 ab.
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Mittels weiterer durch Profilleisten gebildeten Dichtungen 24 und
25 trägt der Auflagerahmen den Absorber 1, die Deckscheibe 2 und den Deckrahmen
5, der sich wiederum mit einer Dichtung 26 auf der Oberseite der Deckscheibe 2 abstützt.
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Am Deckrahmen 5 sind parallel zu diesem verlaufend unten zwei Halterippen
32, 33 angeformt, die eine Führungsnut 34 für den Flansch 55 einer Mehrzahl Rastelemente
56 bildet, wie sie ausführlicher in den Fig. 3 und 4 gezeigt sind. pie Rastelemente
werden gebildet durch einen Führungsschuh 57 aus einem geeigneten Kunststoff wie
Hart-PVC und einer V-förmigen Blattfeder 58 aus Edelstahl, die durch Umgießen miteinander
verbunden sind. Der Ennspannschenkel 59 der Blattfeder weist drei Durchbrechung:«n
40 auf, durch welche der Werkstoff des Führungsschuhs 57 hindurchgreift.
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Während der Flansch 55 des Führungsschuhs in der Nut 34 gleitet, ragt
sein Steg 41 in eine lotrechte Nut 42 der Auflageleiste 6, stützt sich rückseitig
gegen eine Wand 43 und deckt mit dem Riegelarm 44 der Blattfeder 38 gegen eine am
oberen Ende einer Wand 45 angeformten Halterippe 46. Wenn das Rastelement entsprechend
;ef eingedrückt wird, rastet das freie Riegelende des Riegelarmes 44 unter der Halterippe
46 ein.
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Die Unterseite der Halterippe kann entweder stufenförmig oder aber
unter entsprechender Neigung so gestaltet sein, daß die Rastung bzw. Riegelung bei
unterschiedlichen Eintrittswegen und dadurch mit unterschiedlichen Spannkräften
erfolgt. In der Regel ist dies jedoch nicht erforderlich, da die Dichtungsrippen
der einzelnen Dichtungsleisten hinreichenden Federweg bieten.
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Durch Aufsetzen und Andrücken des Deckrahmens 5 gegen den Auflagerahmen
können beide Teile jedenfalls unter entsprechend großer Federspannkraft miteinander
verriegelt werden und dabei zwischen sich den Absorber mit der Deckscheibe 2 verspannt
halten. In der Mitte eines jeden Rahmenstabes des Deckrahmens 5
ist
in die Halterippen 32, 33 jeweils eine Montageöffnung 47 eingeformt, die besondere
Bedeutung für die Demontage hat, wie dies anhand von Fig. 5 erläutert ist.
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Will man den Deckrahmen vom Auflagerahmen 6 lösen und dadurch den
Absorber zugängig machen, so kann dies dadurch geschehen, daß man zunächst die einzelnen
Streifen der Dichtung 25 seitlich herausnimmt. Sodann schiebt man mit einem Schraubenzieher
die einzelnen Rastelemente 57 in die Stellung 57' nach Fig. 5 über die Montageöffnung
47 und weiter in die Stellung 57", in der sie zwar noch unter der Halterippe 46
liegen, aber nicht mehr in Eingriff mit dem Deckrahmen 5 sind. Der Deckrahmen Mann
also frei abgehoben werden.
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Am oberen Stegrad deE Grundrahmens 7 sind'Rastfedern 61 angenietes,
deren freie Riegelenden eine Rastfläche 62 des Auflagerahmens 6 Abergrëfen. Man
braucht daher nur die Auflagerahmen oder aber die bewegbare Baueinheit mit Deckrahmen,
Absorber und Deckscheibe als Ganzes einzudrücken, bis die Rastfeder 61 in der Fläche
62 einrasten. Diese dreiteilige Rahmenausführung ist vorzugsweise für Neubauten
geeignet, wenn zunächst der Grundrahmen auf dem tragenden Bauelement 9 angebracht
wird und der Sonnenkollektor selbst erst später montiert wird.
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Bei Altbauten können jedoch nach der im wesentlichen der Darstellung
von Fig. 2 entsprechenden Fig. 6 Grundrahmen und Auflagerahmen aus einstückigen
Profilstäben 64 hergestellt werden.