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LUFTKOLLEKTOREN HIT WÄ'RMEAtJSTAUS CHERN Die Erfindung betrifft einen
mit einem gasförmigen Wärmeträger= medium (Luft) betriebenen Sonnenkollektor.
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Es ist bekannt sogenannte Luftkollektoren zur Erwärmung von Raumluft
zu verwenden. Es ist weiterhin bekannt Luftkollektor= fenster oder Fassadenkollektoren
(siehe Patentanmeldung P 28 30 747.3 und P 28 30 745.1) zu Heizzwecken oder zum
Absaugen von Warmluft aus dem Innenraum zu Kühlzwecken zu verwenden.
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Nachteilig an Luftkollektoren ist die Abhängigkeit der Funk= tionsweise
von äußeren Witterungsbedingungen, da sich Luft einerseits schnell aufheizen läßt
und bei direkter Strahlung Überschußenergie liefert - also zu warm ist, andererseits
jedoch infolge der geringen Speicherfähigkeit schnell abkühlt oder bei mangelndem
Strahlungseinfall zB. bei diffuser Strahlung keine für Heizzwecke ausreichenden
Temperaturen erzielbar sind.
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Bei Verwendung des Luftkollektorfensters für Kühlzwecke durch Absaugen
der Innenraumluft nach außen, geht Energie verloren, die vorteilhafterweise zu gewinnen
wäre.
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Die Erfindung hat sich daher zur Aufgabe gestellt, die Wirkungs= weise
von Luftkollektoren und insbesondere Fassadenkollektoren oder Luftkollektorfenstern
dadurch zu steigern und von innen oder außen anfallende Energie besser zu nutzen
oder zurückzu= gewinnen, indem mit Hilfe eines zweiten, gegenläufigen Energie= kreislaufes
einerseits zusätzliche Energie für die Vor- oder Nacherwärmung der Luft im Kollektor
zur Verfügung zu stellen und andererseits ttberschußenergie im Kollektor in dem
zweiten Ener= giekreislauf zu gewinnen ist0 Weiterhin stellt sich die Er= findung
zur Aufgabe den Luftkollektor so zu gestalten daß dieser gleichzeitig für die Energiegewinnung
und/oder Energie abgabe eines mit flüssigem Wärmeträger betriebenen Systems verwendbar
in Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der Zuluft- und oder
Abluft;zone bzw. im zuluft und/oder Abluftka= nal Wärmeaustauscher angeordnet Rind,
Der
Wärmeaustauscher wird mit einem flüssigem oder gasförmigen Wärmeträgermedium betrieben.
Die Anordnung des Wärmeaustauschere im Zuluftbereich dient im wesentlichen der Kühlung
des lüssig= keitsmediums und der Erwärmung der Luft,während durch die An= ordnung
des Wärmeaustauschers im Abluftbereich eine Kühlung oder eine Nacherwärmung der
Luft bzw. eine Kühlung oder eine Erwärmung des Wärmeaustauschers möglich ist. Der
erfindungs= gemäße Sonnenkollektor ermöglicht also durch Wärmerückkopplung zwei
gegensätzliche physikalische Vorgänge gleichzeitig gleich= zeitig zu betreiben.
Es bietet sich daher an, ein Buftkollektor= fenster oder einen Brüstungskollektor
als Warmluftheizung und als Kühleinrichtung für die Gebäudekühlung oder für industrielle
Abwärme gleichzeitig einzusetzen, indem der Wärmeaustauscher mit Kühlflächen, einer
Klima- oder Kühlanlage in wärmeleitender - also über Rohre In Verbindung steht.
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Damit ist durch den erfindungsgemäßen Sonnenkollektor eine neue Konzeption
für die Energiewirtschaft von Baulichkeiten geschaffen. Während herkömmliche vollklimatisierte
Anlagen als geschlossene Systeme arbeiten und den gesamten Energiehaus= halt durch
Luftumwälzung regeln, ermöglicht der erfindungsge= mäße Sonnenkollektor bei Anordnung
im Fassadenbereich - ins= besondere als Luftkollektorfenster eine gezielte Be- und
Ent= lüftung in den Fensterzonen durch Ansaugen von Frischluft oder Absaugen von
Abluft sowie eine Rückgewinnung der Wärmeenergie ausder Abluft bzw. ein Aufheizen
der Frischluft. Durch den Wärmeaustauscher - Luftkollektor ist ein durch Solarenergie
betriebenes und sich durch Solarenergie ergänzendes Energie= verteilersystem geschaffen,
das gleichzeitig einen autonomen Be- und Entlüftungskreislauf bewirkt.
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Bezüglich der Anordnung des Wärmeaustauschers im Zuluftbereich sind
zwei unterschiedliche Funktionsweisen bei Sommer- und Winterbetrieb zu unterscheiden.
Im Winter sowie im Sommer ist im Gebäudekern eine Kühlung erforderlich, während
die Fenster= zonen im Winter zu heizen und im Sommer zu kühlen sind. Die im Gebäudekern
abgeführte Wärmeenergie wird über den Wärmeaus= tauscher an die von außen angesaugte
Frischluft oder an die
Umluft abgegeben und antizyklisch dem Innenraum
in der Fenster= zone wieder zugeführt. Im Sommer wird mit Hilfe der am Wärme= austauscher
freiwerdenden Wärmeenergie ein Auftrieb im Luft kollektor erzeugt und mit Hilfe
dieses Auftriebs sich hinter einer Südfassade stauende Warmluft abgesaugt und nach
außen ge= führt. Die, beispielsweise als Sonnenschutz ausgebildete Ab= sorbereinrichtung
eines Luftkollektorfensters und die an dem Absorber freiwerdende Wärmeenergie,unterstützt
diese Auftriebs= und Absaugwirkung. Durch das Absaugen von Warmluft auf der Son=
nenseite eines Gebäudes, ist kühle Luft von einer Schatten= seite des Gebäudes anzusaugen.
Im Sommer ist also eine Querlüft.
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des Gebäudes zu erzielen, durch die insbesondere durch Luft= zirkulation
Wärmeenergie abgeführt wird.
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Im Wohnungsbau, insbesondere in höheren Breitengraden, ist der größte
Energleanteil der Wärmewirtschaft eines Gebäudes die Heizenergie. Zu diesem Zweck
wird im Abluftbereich des Luft= kollektors ein Wärmeaustauscher angeordnet, der
einen Teil der im Kollektor gewonnenen Wärmeenergie aufnimmt und an einen zweiten
Wärmekreislauf abführt, Der Kollektor erfüllt hier also eine Doppelfunktion als
Luft- und als flüssigkeitbetriebener Kollektor und ermöglicht einerseits eine Erwärmung
der Raum= luft und stellt gleichzeitig einen Energiespender für eine Fußbodenheizung,
eine Wärmepumpe zur Brauchwassererwärmung oder auch einer Klimaanlage dar. Durch
die Anordnung des Wärme austauschers im Abluftbereich ist also eine Umkehrung der
Funk tionsweise eine Luftkollektors mit einem Wärmeaustauscher im Zuluftbereich
erzielbar, Ein besonderer Vorteil der Anordnung des Wärmeaustauschers im Zuluftbereich
liegt in der Möglich= keit über Wärmeaufnahme oder Wärmeabgabe des Wärmetauschers
eine Temperaturreglung der Zuluft zu erzielen. Dazu ist es erforder= lich, den Wärmeaustauscher
als Wärmespeicher auszubilden oder an einen Wärmespeicher anzuschließen. Der Speicher
übernimmt eine Art Pufferfunktion und läd sich bei Überschußwärme während dirkter
Sonneneinstrahlung auf und gibt die Wärmeenergie bei mangelhafter Energieeinstrahlung
an die vorbeiströmende Luft wieder ab. Die Reglung des Speicher - Wärmeaustauscherkreislau,
fes erfolgt über die in den Innenraum geführte Abluft Zweck= mäßig ist es,im Zuluft-und
im Abluftbereich einen Wärmeaustau=
scher anzuordnen und den im
Abluftbereich zur Kühlung und den im Zuluftbereich zur Erwärmung der Luft zu verwenden.
Bei der Entlüftung eines Raumes ist die durch die Abluft abgeführte Wärmeenergie
am Wärmeaustauscher zurückzugewinnen.
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Der Wärmeaustauscher ist, um einen guten Wärmeaustausch zu ermöglichen
aus Aluminium oder Kupfer bzw. Kupferrohren herzustellen oder wird als Rahmen- oder
Flügelteil von Kollek= torfenstern ausgebildet.
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Die Figuren verdeutlichen die Funktions- und Ausführungsart der kombinierten
Luftkollektor- und Wärmeaustauschereinrich= tung. Es zeigen: Figur 1. das Schema
eines Luftkollektors mit im Zuluftbereich angeordnetem Wärmeaustauscher und angeschlossenem
Kühlsystem Figur 2 wie Figur 1 jedoch mit im Abluftbereich angeordnetem Wärmeaustauscher
und angeschlossenem Heizsystem Figur 3.
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und 4 Luftkollektorfenster mit einem Jalousiekollektor als Energiegewinnungssystem
und im Zu- bzw. Abluftbereich angeordnetem röhrenförmigem Wärmeaustauscher.
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Figur 5 die schematische Ansicht eines Ijuftkollektorfensters mit
den als Wärmeaustauschern ausgebildeten Zu- und Abluftkanälen Figur 6 den Querschnitt
durch ein Geschoss mit Heiz- oder und 7 Kühlbetrieb.
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Figur 1 zeigt in symbolischer Darntellung einen Kollektor 10 mit den
Absorberflächen 11, dem Wärmeaustnuschor 12 im Zu= luftbereich und der Luftzufuhr
von außen (Frischluft) 13 und/ oder von innen 14 sowie der Abluft nach außen 15
und/oder nach innen 16. Der Kollektor 10 ermöglicht auf Grund des W§rmeausU tauschers
folgende Punktionen zu erfüllen: 1. Ansaugen von Umluft 14 und Abgabe zum Innenraum
16: Heizen 2. Ansaugen der Luft von Innen 14 und Abgabe nach außen 15s Kühlen -
Gebäude wird auf der warmen Südseite entlüftet und Frischluft von der kühleren Nordseite
angesaugt.
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3. Ansaugen von Frischluft 13 und Abgabe nach Innen 16s Heizen - Gebäude
kann auf der wärmeren Südseite geheizt und be.
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lüfter und auf der kühleren Nordseite entlüftet werden.
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Bei allen Vorgängen wird der Wärmeaustauscher gekühlt und die anfallende
Wärmeenergie zum Auftrieb (Pumpwirkung) oder als Heizenergie genutzt (Wärmerückgewinnung).
Der Wärmeaustauscher steht mit einer Kühleinrichtung 17 in Verbindung wie z.B. Kühl
flächen für die Gebäudekühlung.
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Figur 2 zeigt den Wärmeaustauscher 12 in der Abluftzone mit einem
angeschlossenen Heizsystem 18 als Fußbodenheizung, Wärme= pumpe oder als Speicher.
Diese Anordnung ermöglicht folgende Funktionen zu erfüllen: 1. Ansaugen von Innenluft
14 und Abführen nach außen 15: Kühlen des Innenraumes und Wärmerückgewinnung am
Wärmeaustauscher 2. Ansaugen von Frischluft 13 und Abgabe nach innen 16: Nach= heizen
der Luft am Wärmeaustauscher 3. Ansaugen von Umluft 14 und Abgabe nach Innen 16:
Wäiueabgabe Überschußenergie wird an den Wärmeaustauscher abgegeben.
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Bei Anordnung des Wärmeaustauschers in der Abluftzone wird dieser
primär für die Erwärmung des Wärmeaustauschers genutzt.
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Der Wärmeaustauscher ist daher an ein Energieverbrauchersystem angeschlossen.
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Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen rekuperativen Wärmerückkopplung
mit Hilfe der gegensätzlich arbeitenden Ener= giesysteme liegt in der Möglichkeit
sehr feine Temperaturdif= ferenzen nutzbar zu machen. Das System arbeitet bereits
bei Temperaturdifferenzen von 2°bis 30 Celsius. Zur Ausnutzung minimaler Temperaturdifferenzen
ist die Verwendung eines Fen= ster- oder Brüstungskollektors besonders günstig,
da infolge der dichten Anordnung von Kollektor und Verbraucher kein Trans= portweg
dz warmen Luft erforderlich ist0 Dadurch entfallen such die sonst üblichen Energieverluste
auf dem Transport. Wei= terhin sind die Widerstände im System weitgehend reduziert,
so daß das System bereits bei sehr schwachen Konvektionsströ= oder minimaler Pumpleistung
mungen/arbeitet. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Verknüpfung von Fassade,
Luftkollektor und Wärmeaustauscher ist die gezielte Be- und Entlüftung des Innenraumes
durch Mischen der Umluft mit Frischluft sowie die Regulierbarkeit der Abluftmenge
und die Möglichkeit die in der Abluft enthalt tene Wärme zurückzugewinnen. Damit
ist die Wärmeabgabe des Gebäudes weitgehend regulierbar, während es bei normaler
Lüftung
sehr schnell zu einer unkontrollierten Auskehlung des Innenraumes kommt.
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Die Figuren 3 und 4 zeigen ein Kollektorfenster 10 mit aus einer Vielzahl
von Rohren 20 erzeugtem Wärmeaustauscher 12. Es ist die Funktionsweise der Enerßiegewinnung
am Jalousiekollektor einge= zeichnet. Es ist selbstverständlich, daß das Luftkollektorfen=
ster in seiner Arbeitsweise auch umkehrbar ist, indem mit einem Gebläse versehen,
die Abluftzone unten und die Zuluftzone oben angeordnet wird. Dies kann von Vorteil
sein, da die Wärmeener= gie von unten in den Raum eingeführt wird.
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Figur 5 zeigt eine schematische Ansicht eines Kollektorfensters.
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Es ist der Zuluft- 21 und Abluftkanal 22 eingezeichnet, der vorteilhafterweise
als Wärmeaustauscher ausgebildet wird. Dies ist eine platzsparende und wirksame
Ausbildungsart, da der Wärmeaustauscherkanal gleichzeitig als Schalldämpfer dient.
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Die Ein- und Außlaßöffnungen 23, 24 sind so ausgebildet, daß die Luft
gleichmäßig durch den Kollektor strömt.
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Figur 6 und Figur 7 stellen zwei grundsätzlich gegensätzliche Funktionsweisen
des Luftkollektorfensters im Sommer zum Kühlen, im Winter zum Heizen dar. In Figur
6 wird auf der Schatten= geite kühle Luft angesaugt und über das Kollektorfenster
auf der Sonnenseite abgeführt. Die über den Wärmeaustauscher 12.1 geführte Luft
kühlt sich an dem selben ab und wird über den Wärmeaustauscher 12.2 nach außen abgeführt.
Die an den Wärme= austauschern gewonnene Energie steht beispielsweise einer Wärmepumpe
zur Brauchwassererwärmung zur-Verfügung.
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Figur 7 zeigt den Winterbetrieb. Die Luft wird an der warmen Südseite
angesaugt, heizt sich im Kollektorfenster auf, gibt die Überschußenergie an den
Wärmeaustauscher 12.2 ab und wird bei gewünschter Innenraumtemperatur in den Raum
eingeführt.
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Auf der kühlen Nordseite wird die Luft über den Wärmeaustau= scher
1201 nach außen geführt, indem die in der Luft enthal tene Wärmeenergie am Wärmeaustauscher
zurückgewonnen wird.
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Die im Wärmeaustauscher gewonnen Energie kann entweder einem Verbrauchersystem
oder dem Wärmeaustauscher 12.2 zugeführt und bei mangelnder Energieeinstrahlung
zur Vorwärmung der Zu= luft verwendet werden.
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L e e r s e i t e