DE2840018A1

DE2840018A1 - Luftkollektoren mit waermeaustauscher

Info

Publication number: DE2840018A1
Application number: DE19782840018
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl Ing Koester
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-09-14
Filing date: 1978-09-14
Publication date: 1980-03-27

Description

LUFTKOLLEKTOREN HIT WÄ'RMEAtJSTAUS CHERN Die Erfindung betrifft einen mit einem gasförmigen Wärmeträger= medium (Luft) betriebenen Sonnenkollektor.
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.
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.
Bei Verwendung des Luftkollektorfensters für Kühlzwecke durch Absaugen der Innenraumluft nach außen, geht Energie verloren, die vorteilhafterweise zu gewinnen wäre.
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.
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.
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.
des Gebäudes zu erzielen, durch die insbesondere durch Luft= zirkulation Wärmeenergie abgeführt wird.
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.
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.
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.
und 4 Luftkollektorfenster mit einem Jalousiekollektor als Energiegewinnungssystem und im Zu- bzw. Abluftbereich angeordnetem röhrenförmigem Wärmeaustauscher.
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.
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.
3. Ansaugen von Frischluft 13 und Abgabe nach Innen 16s Heizen - Gebäude kann auf der wärmeren Südseite geheizt und be.
lüfter und auf der kühleren Nordseite entlüftet werden.
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.
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.
Bei Anordnung des Wärmeaustauschers in der Abluftzone wird dieser primär für die Erwärmung des Wärmeaustauschers genutzt.
Der Wärmeaustauscher ist daher an ein Energieverbrauchersystem angeschlossen.
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.
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.
Figur 5 zeigt eine schematische Ansicht eines Kollektorfensters.
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.
Die Ein- und Außlaßöffnungen 23, 24 sind so ausgebildet, daß die Luft gleichmäßig durch den Kollektor strömt.
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.
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.
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.
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.
L e e r s e i t e

Claims

LUFTKOLLEKTOREN MIT WÄRMEAUSTAUSCHER# PATENTANSPRÜCHE: Mit gasförmigem Wärmeträgermedium (Luft) betriebene Son= nenkollektoren, dadurch gekennzeichnet. daß in der Zuluft-und/oder Abluftzone bzw. im Zuluft- und/oder Abluftkanal Wärmeaustauscher angeordnet sind.
2. Verwendung den Wärmeaustauschers im Zuluf bereich zur Kühlung des Whirmeaustauschere und zur Erwärmung der Luft.

(Fig. 1)
3. Verwendung des Wärmeaustauschers im Abluftbereich zur Er, wärmung des Wärmeaustauschers und zur Kühlung der Luft, (Fig. 2)
4. Anlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daher Wärmeaustauscher zur Gebäudekühlung oder als Kühleinrichtung tung für industrielle Abwarme verwendbar ist.
5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sonnenkollektor zur Wärmerückkopplung verwendbar ist und der Wärmeaustauscher im Zuluftbereich mit Kühlflächen im Gebäu# deinneren, einer Klimaanlage oder einem Speicher in Wärme= leitender Verbindung steht.
6. Anlage nach mehreren der vorhergehenden Anspruche, dadurch gekennzeichnet, daß die am Wärmeaustauscher abzugebende Wärme einen Auftrieb im Sonnenkollektor erzeugt und dieser Auftrieb zum Absaugen von Abluft aus dem Innen- in den Au ßenraum oder zum Ansaugen und Erwärmen von Frisch- oder Umluft aus dem Außen- oder Innenraum zur Abgabe als Warm= luft in den Innenraum verwendbar istc (Fig. 1)
7. Anlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sconnenkollektor zur Erzeugung von Warmluft für Heiz= zwecke und mit Hilfe des Wärmeaustauschers als Energiespen= der für einen zweiten Wärmekreislauf eines Verbrauchersystems wie einer Fußbodenheizung, einer Wärmepumpe, einer Klima= anlage oder eines Speichers verwendbar ist. (Fig. 2)
8. Anlage nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der vom Sonnen= kollektor abgegebenen Luft durch die Temperatur des Wärme= austauschers
9. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmeaustauscher im Abluftbereich als Wärmespeicher ausge= bildet wird.
10. Anlage nach mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sonnenkollektor ein Luftkollektor= fenster, ein Fassadenkollektor oder ein Luftkollektorbau= teil ist.
11. Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauscher innerhalb der Kastenrahmen (Fig. 3) oder der Fensterflügelrahmen angeordnet sind.
12. Anlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauscher zur Schalldämpfung des durch die Frisch3 luftöffnungen eintretenden Schalls ausgebildet sind.
13. Anlage nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der Zu- und/oder Abluftkanal als Wärmeaustauscher ausgebildet ist.
14. Anlage nach Anspruch 10, dadurch gakennzeicimet, daß die durch einen Kollektor abgeführte Luft über Vlärmeaus= tauscher angesaugt und an diesen gekühlt wird und die am Wärmeaustauscher gewonnene Energie einem Energieverbraucher= system zuführbar ist.
15. Anlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftansaugseite auf der Schattenseite und die Luftabfuhr= seite auf der Sonnenseite gelegen ist. (Fig, 6)
16. Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Wärme= austauscher auf der Ansaugseite mit Wärmeaustauschern auf der Abfuhrseite durch einen Energiefluß über ein flüssiges und/oder gasförmiges Wärmeträgermedium (Luftzirkulation) in wärmeleitender Verbindung steht und daß die in der Ab= luft enthaltene Energie am Wärmeaustauscher auf der Abluft= seite zurückgewinnbar ist und daß diese Energie dem Wärme= austauscher auf der Ansaugseite zur Vorwärmung der Frisch= luft oder einem Energieverbrauchersystem zuführbar ist.
17. Anlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftansaugseite auf der Sonneneinstrahlungsseite und die Luftabfuhreeite auf der Schattenseite gelegen ist, (Fig. 7)