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SOLARENERGIE HEIZSYSTEM 1
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Die Erfindung betrifft ein Heizsystem gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.
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Konventionalle Solarheizungsanlagen sind durch folgende Systemkom,
ponenten gekennzeichnet: Kollektoren, Speicher, Vor- und Rücklaufleitungen zwischen
Kollektor und Speicher, Pumpen, Steuerungsanls= gen, Einrichtungen zur Wärmeabgabe
an die Raumluft (FuBbodenheizungen oder Radiatoren) sowie Vor- und Rücklaufleitung
zwischen den Heizflächen und den Speichern bzw. einer Zusatzheizung.
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Diese Vielzahl von technischen Einrichtungen macht eine Solarhei=
zungsanlage zu einem kostenintensiven und störanfälligen System.
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Infoge der dezentralen Organisation derartiger Systeme (Kollektor
auf dem Dach, Speicher im Keller, Verbraucher zwischen Dach und Keller) sind erhebliche
Leitungslängen erforderlich, durch die Energieverluste bewirkt werden, die insbesondere
bei Kehrgeschoss= bauten zu einer entscheidenden Verminderung des Systemwirkungsgra=
des führen. Die Erfindung hat sich nun zur Aufgabe gestellt, eine Solarheizungsanlage
so zu organisieren, daß ein höherer System= wirkungsgrad und eine Verminderung an
Hard-ware erzielbar ist.
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Diese Aufgabe erfolgt gemäß dem kennzeichnenden Teil des Hauptan3
spruches.
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Durch die Verwendung des Speichers als Heizkörper mit Hilfe einer
in Teilen entfernbaren Wärmeisolation, entfallen mindestens zwei Systemkomponentena
erstens ein spezieller Heizkörper und zweitens die Rohrleitungen zwischen Speicher
und Heizkörper. Die Erfindung sieht weiterhin vor, den Speicher-Heizkörper im Bereich
einer Au= ßenwand anzuordnen und auf der Sonneneinstrahlungsseite mit einem Kollektor
zu versehen. Dadurch entsteht eine kompakte Einheit, die alle Punktionen einer Solarheizungsanlage
übernimmt, indem die So= larenergie auf der Außenwandseite gewonnen, im Wandquerschnitt
ge= speichert und auf der Innenraumseite abgegeben wird. Somit entfal= len auch
die Rohrleitungen zwischen Kollektor und Speicher. Durch die Kompaktheit ist die
für Wärmeverluste zur Verfügung stehende Oberfläche derart reduziert, daß kein Systemwirkungsgradverlust
entsteht Der Systemwirkungsgrad ist gleich dem Kollektorwirkungs= grad. Die Anlage
ist mit besonderem Vorteil für Sanierungsbauvorv
vorhaben und im
Mehrgeszhoesbal einzuseEzen.
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Auf der Einstrahlungsseite ist entweder ein Flachkollektortyp oder
ein konzentrierender Kollektor anzuordnen. Als Konzentrationseins richtung ist vorteilhafter
Weise ein diffuse Strahlungsenergie konzentrierendes Spiegelsystem zu verwenden,
so daß eine NachfUhw rung der Spiegel nicht erforderlich ist und diese ortsfest
anzu= ordnen sind. Derartige Spiegelsysteme sind einer horizontalen Längsachse nach
auszurichten, wobei das Empfängersystem parallel zu horizontalen Spiegelachse verläuft.
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Um einen mximalen Konzentrationsfaktor zu erzielen, sind die spie=
gelnden Wandflächen parabolisoh zu formen und derart anzuordnen, daß der Brennpunkt
bei niedriegstem Einstrahlungswinkel min in einem äußersten Empfängerpunkt liegt.
(Fig. 1) In diesem Fall wird ein sehr hoher lokaler Konzentrationsfaktor im Empfänger
erzielt, der die Möglichkeit bietet,bei niedrigstem Sonneneinstrahlungswinkel also
zur kältesten Jahreszeit im Winter die höchsten Temperaturen zu erzielen. Um diesen
hohen Konzentra= tionsfaktor nutzbar machen zu können und einen Temperaturausgleich
über den gesamten Empfängerquerschnitt zu vermeiden, wird die Ab sorberfläche in
mehrere jedoch mindestens zwei Teile getrennt und das Wärmeträgermedium von dem
kälteren zum wärmeren Absorberteil geführt. Da bei Änderung des Sonnenhöhenwinkels,!
!,, eine Verschiebung des Bereiches größter Energiedichte stattfindet, ist der Zirkulationskreislauf
des Wärmeträgers umkehrbar vorzusehen.
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Es findet auf diese Weise eine Art der Empfängernachführung statt.
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Eine grundsätzlich andere Ausbildungsart besteht darin, auf der Einstrahlungsseite
einen Flachkollektor vorzusehen. Dies hat den Vorteil, daß der Speicherraum größer
ist. Die einfachste Ausbil= dungsart des Plachkollektors besteht darin, den Speicher
auf der Einstrahlungsseite absorbierend auszubilden und im Speiche rinne ren eine
isolierende Wand vorzusehen, so daß sich zwischen der absorn bierenden Fläche und
der Isolation eine dünne Schicht ausbildet, durch die der Wärmeträger zum Zweck
der Erwärmung strömt. Es sind im unteren Teil des Speicher-Kollektors sowie im oberen
Teil Öff nungsquerschnitte vorzusehen, durch die der Wärme träger aus dem
Speicherteil
angesaugt wird und durch den Kollektorteil in den Speioherteil zurückströmt. Dieser
Vorgang kann, bei ausreichend großen Öffnungsquerschnitten,aussohließlich auf Grund
der Konvekw tionsströmungen erfolgen, so daß Pumpen und Steueruncgzeinriohtllngnzz
entfallen können. Um zu vermeiden, daß im Kollektor abgekühlte 1('ltisL sigkeit
in den Speicher zurücksinkt und von oben warmes Wasser An3 saugt, ist mindestens
ein Öffnungsquerschnitt verschließbar auBzu= bilden.
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Sofern die eingestrahlte Sonnenenergie nicht ausreicht, um den Wär=
niebedarf des Innenraumes zu decken, ist im Speicher eine Heinrich= tung zur Beheizung
des Speichers anzuordnen. Durch diese Speicher= heizung kann einerseits ein höheres
Temperaturniveau erreicht wer= den, andererseits kann der Energiebedarf während
schlecht Wetter perioden ausschließlich durch die Speicherheizung gedeckt werden.
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Ein derartiges bivalentes Heizsystem1 ist optimal zu betreiben, da
die hochwertige Zusatzenergie wie Strom, Gas oder Öl im wesentlichen zum Erreichen
höherer Temperaturen eingesetzt wird.
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Ein erfindungswesentlicher Vorteil der kompakten Anordnung von Speicher,
Speicherheizung und Kollektor liegt in der Möglichkeit, Konvektionskreisläufe verschiedener
Temperaturen auszubilden und nutzbar zu machen, indem vom Speicherboden kühlere
Flüssigkeit an= gesaugt und im Niedertemperaturkc'7ektor auf ein höheres Tempera=
turniveau gebracht wird, während sich in der Kernzone des Speichers um die Speicherheizung
ein Konvektionskreislauf höherer Temperatu= ren ausbildet. Um eine Ausbildung dieser
Konvektionskreisläufe zu ermöglichen, ist die Kernzone des Speichers zur Kollektorseite
mit Wandflächen zu umgeben, die als Leitflächen für die Konvektions= strömungen
dienen, wobei die Konkavseite für den inneren Kreislauf und die Konvexseite für
den äußeren Konvektionskreislauf zum Kol= lektor dient.
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Als Speicherheizung dient ein Elektroheizgerät, das beispielsweise
als Nachtspeicherheizung ausgebildet ist, oder innerhalb des Spei= chers sind Wärmeaustauscherrohre
angeordnet, die durch einen Ö1-oder Gasfeuerungskessel gespeist werden. Damit ist
eine völlig neu= artige Konzeption eines bivalenten Heizsystems geschaffen. Während
bei konventionellen bivalenten Heizsystemen die Solarenergie im wesentlichen zur
Vorwärmung des Wärmeträgers verwendet wird, dient hier die Heizenergie des Kessels
ausschließlich der Nacherwärmung.
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Dies erlaubt eine wirtschaftlichere Betriebsweise, da der Kessel nur
während der kalten Jahreszeit in Betrieb genommen werden muß.
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Sofern die klimatischen Bedingungen dies ermöglichen und eine aus=
reichend große Heizfläche geschaffen werden kann, wäre es auch aus reichend, die
Energie über eine zentrale Wärmepumpe zu beziehen, und den Speicher-Heizkörper als
Niedertemperaturheizung zu betrei= bein diese Wärmepumpe bezieht ihre Energie aus
zusätzlichen Solarn kollektoren, Gewässern, aus Erdwärme oder Langzeitspeichern.
Da die Wärmepumpe nur die Zusatzenergie liefert, bietet sich hiermit gleichzeitig
eine wirtschaftliche Konzeption für Langzeitspeicher an, die nur auf den zusätzlichen
Energiebedarf, der durch die Fassadenkollektoren nicht gedeckt werden kann, ausgelegt
zu werden brauchen, Die Langzeitspeicher können im Sommer mit der überschüs= sig
anfallenden Energie geladen werden, wenn Heizenergie nicht er= forderlich ist. Der
Energiekreislauf wird im Sommer umgekehrt, in= dem die Wärmeaustauscher in der Speicherheizung
zur Energieaufnah= me dienen und die WärmeLdirekt dem Langzeitspeicher zugeführt
oder erforderlichenfalls durch die zentrale Wärmepumpe kompremiert und auf ein höheres
Temperaturniveau gebracht, in den Langzeitspeicher eingeführt wird.
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Bei der Verwendung eines konzentrierenden Kollektors kann es, um mit
einem geringen Speichervolumen auszukommen, erforderlich sein, den Speicher als
Latent bzw. als chemischen Speicher auszubilden.
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Weitere erfindungswesentliche Vorteile werden an Hand der Figurenbeschreibung
deutlich. Es zeigen: Fig. 1 den Vertikalschnitt durch einen konzentrierenden Passadenr
kollektor mit rückseitigem Wärmespeicher Fig. 2 die Aufsicht auf die sich aus mehreren
Teilen zusammen3 setzende Absorberfläche Fig. 3 Konzentrationsfaktoren bei unterschiedlichen
Sonnenhöhena winkeln Fig. 4 den Vertikalschnitt durch ein in erfindungsgemäßer Weise
ausgebildetes Brüstungselement.
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Figur 1 zeigt einen Vertikalschnitt durch ein als Kollektor und Speicher-Heizkörper
ausgebildetes Außenwandelement. Der Kollektor 10 besteht aus einem parabolisch ausgebildetem
spiegelndem Wand teil 11 und aus Absorberflächen 13, 14, 15, 16, die durch eine
ge= meinsame infrarot-reflektierende Scheibe 12 abgedeckt sind. Die ge: samte Kollektoreinrichtung
ist nach außen mit Hilfe einer strah= lungsdurchlässigen Scheibe 17 verkleidet.
Rückseitig, zum Innenraum gelegen1 befindet sich ein Speicher 18, der mit einer
entfernbaren Wärmeisolation 19 versehen ist und dadurch gleichzeitig als Heiz= körper
verwendbar ist, In dem Speicher 18 befindet sich eine Spei= cherheizung 20. Damit
der Heizkörper eine größere AbEtrahlungs= fläche erhält, ist dieser mit Rippen ausgeführt.
Die Rippen werden durch die Linie 21 kenntlich gemacht.
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Es ist der Strahlengang ß min eingezeichnet. Die P rabel wird so gewählt,
daß bei einem Einstrahlungswinkel J min der Brennpunkt der Parabel in der Absorberfläche
16 liegt. Bei Vergrö= ßerung des Elevationswinkel ß wandert der Bereich größter
Ein= strahlungsdichte in Richtung der Absorberfläche 13. Die lokale Kon: zentration
kann zu Gunsten höherer Temperaturen nutzbar gemacht werden. Dies erfolgt durch
die Ausbildung mehrerer,in nicht wärme= leitender Verbindung stehende Absorberflächen.
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Diese zeigt Figur 2. Die Absorberflächen 13, 14, 15, 16 sind durch
einen Kanal 22 miteinander verbunden. Der Wärmeträger wird von der kälteren zur
wärmeren Absorberfläche geführt, d.h. heißt vom Bereich geringerer Energiedichte
in den Bereich höherer Energie= dichte, so daß ein gleichmäßiges Aufheizen desselben
stattfindet Bei einem Einstrahlungswinkel von/Smin wird der Wärmeträger über die
Absorberfläche 13 zur Absorberfläche 16 geführt, Bei einem Einstrahlungswinkel /)
wird der Wärmeträger über die Absorberfläche 16 zur Absorberfläche 13 geführt. Die
"Nachführung" des Wärmeträgers erfolgt in jahreszeitlicher Abhän3 gigkeit und wird
durch ein Vierwegeventil erreicht.
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Figur 3 zeigt die maximalen Konzentrationsfaktoren bzw. Einstrah=
lungsdichten bei unterschiedlichen Sonnenhöhenwinkeln - . Die Kurve 24 gibt die
Einstrahlungedichte pro qm vertikale SUdfassaden= fläche um 1200Uhr an. Die Kurve
25 stellt den Konzentrationsfak= tor bezogen auf den gesamten Absorberquerschnitt
und die Kurve 26
den KonzentrationsfaktoE bezogen auf den in Figur
2 mit 28 und 29 bezeichneten Absorbertei. Das Diagramm gibt klar zu erkennen, daß
im Winter bei tiefsten Außentemperaturen der größte Konzentrations, faktor und damit
die höchsten Temperaturen im Absorber erzielt wer= den. Es muß erwähnt werden, daß
die gesamte, ab dem Einstrahlungs= winkel ß min einfallende diffuse Strahlungsenergie
im Absorber kon zentriert wird.
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Figur 4 zeigt den Vertikalschnitt durch eine erfindungsgemäße Spei
cherheizung mit einem Flachkollektor als Brüstungselement, Die An lage ist hinter
einem verglastem Brüstungselement 30 angeordnet, das als Fassadenfertigteil im Zusammenhang
mit dem Fenster 31 ein= baut wird. Diese Bauart bringt den Vorteil mit sich, daß
die Passen= de in konventioneller Weise herzustellen und von außen abzudichten ist,
Der Kollektor/Speicher wird dann im Rahmen der Ausbauarbeiteri als ein feriger Block
hinter der Verglasung aufgestellt. Dadurch braucht der Flachkollektor nicht verglast
zu werden, was aus tech= nischen und Transportgründen günstig ist.
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Auf der Einstrahlungsseite wird eine Acrylglashaube vorgesehen, die
sich aus einem Reflektorteil 32 und aus einem strahlungsdurch= lässigem Teil 33
zusammensetzt. Durch den Reflektorteil 32 wird ein zusätzlicher Energiegewinn insbesondere
durch einen vertika= len und in einem flachem Azimutwinkel einfallendem Strahlungsan=
teil erzielt.
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Zwischen der strahlungsdurchlässigen Abdeckung und dem Kollektor ist
eine strahlungsreflektierende zweischichtige Paltjalousie 34-rI gesehen, die nachts
sowie bei sehr geringer Energie einstrahlung herabgelassen wird und eine flexible
Wärmedämmung darstellt, die den Wärmedurchgang von der Speicherseite her vermindert.
Diese kann mit einem Belichtungsmesser so gesteuert werden, daß sie die Absor= berfläche
nur dann frei gibt, wenn eine zur Erwärmung des Wärme= trägers ausreichende Strahlungsintensität
vorhanden ist. Mit Hilfe der FaltJalousie können Energieverluste,die durch Abkühlen
bei wechselnder Bewölkung entstehen, vermieden werden.
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Der Kollektor/Speicher bildet einen Block, in den auf der Ein= strahlungsseite
eine Absorberplatte 35 eingesetzt wird. Diese ist so zu lagern, daß sie sich entsprechend
den unterschiedlichen Temperaturverhältnissen dehnen kann. Das Wärmeträgermedium
strömt durch einen Zwischenraum 36, der durch die Absorberplatte und eine rückseitige
Wandfläche 37 gebtidet wird. Diese ist wärmeisoz lierend ausgeführt und umschließt
den Speicherkern. Um eine geringe Dicke der isolierenden Wand zu erzielen,ist diese
als Vakuum= isolation auszuführen. Die Wand 37 ist im unteren sowie im oberen Teil
des Speichers über schräge Kurvenstücke 38, 39 durch hori= zontale Teilstücke 40,
41 verlängert, so daß sich zwischen diesen Teilstücken und dem Speicherboden 42
und der oberen Speicherab= deckung 43 Einlaß- 44 und Auslaßöffnungen 45 ergeben.
Die Wände stellen damit gleichzeitg Leitflächen für Konvektionsströmungen dar und
ermöglichen das Ausbilden von zwei unterschiedlichen Kon= vektionskreisläufen.
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Es bilden sich Konvektionskreisläufe erstens im Kollektor infolge
einer Auftriebswirkung und zweitens im Speicherkern infolge der Speicherbeheizung
aus. Der besondere Vorteil dieser un= terschiedlichen Konvektionskreisläufe liegt
in der Ausnutzung ge= ringer Temperaturdifferenzen zu Gunsten des Kollektors, der
ins= besondere bei diffuser Strahlung wesentlich geringere Temperaturen ermöglicht
als die Speicherheizung. Durch das Ansaugen des Warme~ trfigors nm Speicherboden,
wo grundsHtzlioh ein geringeres Gemper turniveau herrscht, ist durch den Kollektor
auch eine sohwaoho Energieeinstrahlung nutzbar zu machen.
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Der Speicher-Kollektorkreislauf kann durch Unterstützung einer Pumpe
erfolgen oder ausschließlich auf Grund der Auftriebskraft der erwärmten Plüssigkeit.
Dies erfordert, daß die Öffnungs= querschnitte über die gesamte Breite des Brüstungsfeldes
ausgeführt der Durchflußgeschwindigkeit sind. Dadurch erfolgt eine sehr empfindsame
SeIbststeuerung/die in Abhängigkeit von der eingestrahlten Energie dann stattfindet,
wenn die Kollektortemperatur höher als die Temperatur am Speicher= boden ist. Bei
einer derartigen Ausbildung einer Heizungsanlage sind nur noch zwei Systemkomponenten
erforderlich, die in einem leicht transportablen Fertigteil organisiert sind: eine
Absorbtions und Speichervorkehrung.
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Zur Innenraumseite ist der Speicher-Heizkörper mit einer entfern baren
Wärmeisolation 19 umgeben. Auch hierfür ist, um mit einer geringen Konstruktionstiefe
auszukommen eine Vakuumisolation zu verwenden. Das Entfernen der Isolation erfolgt
durch Zusammen= schieben einzelner Teilstücke, wodurch eine gezielte Wärmeabgabe
an den Innenraum möglich ist. Die Linie 21 deutet die Ausbildung von Rippen an,
die einer Vergrößerung der Heizfläche dienen. Es ist hervorzuheben, daß die Heizfläche
bei einem derart ausgebil= deten, sich über das gesamte Brustungsfeld erstreckenden
Heizkör= pers im allgemeinen groß genug ist, um im NiedertempernburbereLoh bei on.
6Q° zu arbeiten.